物理学コロキウム第二 2002.12.19
ゲルマニウム検出器を
用いたガンマ線分光
[内容]
1. 実験の概要
2. ゲルマニウム検出器
3. 今後の計画
4. まとめ
柴田研究室
99-1740-9 中野健一
1. 実験の概要
目 的
東工大バンデグラフ加速器にて原子核反応を起こさせ、生
成されたガンマ線をゲルマニウム検出器で計測する。得ら
れたスペクトルについて、各ピークの生成過程を特定する。
手 順
ゲルマニウム検出器の性能評価(終了)
ビーム、ターゲットの選定(終了)
実験装置の準備(ターゲットチェンバーの真空テスト、
ガンマ線透過度テスト等)
↓
バンデグラフ加速器を用いた測定
↓
測定データの解析(スペクトルのピークの特定)
2. ゲルマニウム検出器
•構造
•原理
•特徴
- エネルギー分解能
- エネルギー直線性
- 検出効率
•ゲルマニウム検出器の構造
30.5 mm
HPGe
60.5
mm
終端閉鎖同軸型 高純度ゲルマニウム半導体検出器
(Closed-end coaxial High Purity Ge semiconductor detector)
•ゲルマニウム検出器の原理
完全な i 型は実現不可能で、 実際は n- 型か p- 型になる。
Ge
Li n+
拡
散
p-
空乏領域
p- 型は正孔の密度が通常より小さいので、空乏領域が大きくなる。
通常の p - n 接合よりも大きな有感体積を得ることが出来る。
n型‥‥ドナー不純物を含む。(電子多、正孔少)
p型‥‥アクセプタ不純物を含む。(正孔多、電子少)
i型‥‥ 不純物を全く含まない。(熱励起による同数の電子と正孔)
•ゲルマニウム検出器の特徴 - エネルギー分解能
エネルギー分解能 R
FWHM
R
H0
Na22の1274 keV のピークについて
RGe  0.154%、 RNaI  6.43%
赤 : Ge
黒 : NaI(Tl)
分解能に差が出る主な理由
ガンマ線エネルギー⇔電荷生成量
電荷の生成量は統計的に揺らぐ。
Ge ‥‥ 3 eV 程度 / 1 イオン対
NaI ‥‥ 100 eV以上 / 1 光電子
電荷の生成量が違う。
↓
電荷量の統計的揺らぎが
相対的に小さくなる。
赤 : Ge
黒 : NaI(Tl)
•ゲルマニウム検出器の特徴 - エネルギー直線性
エネルギー較正‥‥チャンネルとエネルギーの対応付け
Am241(60 keV)、Na22(511 keV、1275 keV)
Cs137(662 keV)、Co60(1173 keV、1333 keV)
NaI(Tl) 検出器
Ge 検出器
2次
χ2 = 0.833
(自由度 3)
直線
χ2 = 0.2552
(自由度 4)
直線性が大変良い。
•ゲルマニウム検出器の特徴 - 検出効率
検出器に入射した放射線の内、
どれだけを検出できるか。
エネルギーによって違う。
同軸型 Ge 検出器の経験式
N
E i 1
ln    ai (ln )
E0
i 1
測定結果自体は
適切な値となっている。
正確なフィットをするには、
100 ~ 300 keVの範囲に
データが必要である。
右下図は
『放射線計測ハンドブック』より
N = 3 でフィット
Ge 検出器の検出効率は低い。
しかし、
ピーク面積 ~ 幅 × 高さ
検出効率
エネルギー分解能
検出効率
高さ ~ エネルギー分解能
エネルギー分解能が優れているの
で、バックグラウンドから分離し易い。
右図は『放射線計測ハンドブック』より
各ピークの
面積は同じ
3. 今後の計画
•ビーム
陽子(2 MeV ~ 4 MeV弱)
•ターゲットと反応過程
55Mn
+ p → 56Fe*
γ
59Co
+ p → 60Ni*
γ
•期間(予定)
1月21日(火)-24日(金)
2月11日(火)-14日(金)
4. まとめ
•バンデグラフ加速器にて原子核反応を起こさせ、生
成されたガンマ線をゲルマニウム検出器で計測する。
得られたスペクトルについて、各ピークの生成過程を
特定する。
•ゲルマニウム検出器の性能評価はほぼ終わった。
- 優れたエネルギー分解能
- 高度なエネルギー直線性
- 検出効率の大まかな値
•ビームとターゲットの選定も終わり、現在実験装置の
準備を進めている。(ターゲットチェンバーの真空テスト、
ガンマ線透過度テスト等)
•合計8日間のビームタイムで実験を行う。
5. 質問・回答(後日追加)
•検出器に付いているタンクは何か。(4 枚目)
液体窒素を入れて装置を冷却する為のもの。ゲルマニウム半
導体は禁止エネルギーギャップが小さいので、熱による電子正
孔対が生じ易い。
•同軸型の形状をしているのは何故か。(4 枚目)
同軸型の他に、プレナ型と呼ばれる円盤のような形状が有る。
結晶の性質が原因となり、プレナ型の厚さは最大で 2 ~ 3 cm
にしかならない。ガンマ線を検出する為には出来るだけ大きな
有感体積が必要なので、主として同軸型が使われる。
•分解能を定量的に評価できないのか。(6 枚目)
電荷の統計揺らぎはファノ因子を用いればもう少し詳しく評価で
きる。しかし他の要因として電荷収集率の変動、電子回路雑音
の寄与などが有り、これらを評価するのは難しいように思う。
ゲルマニウム検出器の原理(時間の都合で削除したページ)
逆電圧をかける
空間電荷増大→電荷分布範囲拡大→空乏層拡大(全空乏層化)
2

d

 ( x)
ポアソンの式  2   1次元
 2  

dx

電荷収集速度の増加
→電荷収集率の増加
絶縁限界電圧の制限が有るので、
実際は 4000 ~ 5000 V になる。
液体窒素で冷却する
熱励起によるバックグラウンドの抑制
↑
Ge の禁止エネルギーギャップが小さい~0.7 eV (絶縁物 > 5 eV)
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