富山大学水素同位体科学研究センター研究報告34：51－57，2014.

技術報告
NIM モジュールを用いた液体シンチレーション分析器の構築
原正憲，二上ひかり，阿部信介

富山大学 水素同位体科学研究センター〒930-8555 富山市五福 3190

Construction of a Liquid Scintillation Analyzer
with NIM components
Masanori Hara, Hikari Futagami and Shinsuke Abe
Hydorgen Isotope Research Center, University of Toyama
Gofuku 3190, Toyama 930-8555, JAPAN(Received December 2, 2014; Accepted July 10, 2015)

Abstract
A conventional liquid scintillation analyzer is typically equipped with two
photomultiplier tubes to distinguish the signals of disintegration events from the noiseof photomultipliers. However, commercially available liquid scintillation analyzers are
not designed to provide signal output from each individual photomultiplier.
Considering this limitation, the liquid scintillation analyzer was assembled with NIM
modules so that it could generate a bifunctional scintillation spectrum from the two
photomultipliers. The pulse height of the bifunctional spectrum obtained increased
with decreasing the quenching. This change was consistent with the principles of theliquid scintillation counting.

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原正憲・二上ひかり・阿部信介

１．緒言
液体シンチレーションカウンタはβ線を放出する核種の測定に利用されている．特に，3H，14C等の低エネルギーのβ線のみを放出する核種を僅かに含む液体中の放射能を定量出来る唯一の装置である．現代の液体シンチレーションカウンタは4000chの波高分析器を備えており，液体シンチレーション分析器(LSA)と言うべきものである．しかし，LSAによる放射能測定では，クエンチングによる影響を補正する事が必要不可欠である．クエンチン
グには主に二つの要因がある．一つは，放射線のエネルギーがシンチレータ内で発光分子まで上手く伝達されず，発光が起こらない化学クエンチングである．もう一つは，放射線のエネルギーは発光分子まで伝達され発光は起こるが，発生した光子がシンチレータ内で吸収されてしまいLSAの光電子増倍管(以下，PMT)まで届かないカラークエンチングである．
化学クエンチングは市販のクエンチンドスタンダードを用いて補正できるが，市販されているクエンチドスタンダードは3Hと14Cに限られている．その他の核種を測定する場合，測定者自身でクエンチドスタンダードを調製する必要がある．一方，カラークエンチングの補正方法は十分に確立されていない．有色の試料ではカラークエンチングを避けるために試料の脱色が必要なため，迅速な試料調製が出来ない．カラークエンチングが起こると，PMTにシンチレーション光が入射するまでの光路差により，PMTへ入射する光量に差が生じ，出力信号に差が現れる．この差にカラークエンチングの情報が含まれる．しかし，市販のLSAではPMTそれぞれの信号は外部に出力されない．
LSAによる測定で問題となる化学クエンチングとカラークエンチングの補正を同時に行
う全クエンチング補正の手法が確立すれば，有色の試料を脱色処理を行うことなく，LSAによる放射能測定が出来るようになる．このためには，LSAに装備されているPMTそれぞれの波高出力を測定し，新たなクエンチング補正の手法を検討する必要がある．この観点より，様々な試料からのシンチレーションスペクトルをPMT毎に測定するLSAを構築した．その詳細をここで述べる．

２．LSA の原理

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NIMモジュールを用いた液体シンチレーション分析器の構築

LSAによる放射能測定では，測定対象の液体試料は液体シンチレータと混合され，均PMT‐1

PMT‐2質のシンチレータカクテルとする．このカクテル中で放射壊変が起こると，壊変に伴CoincidenceADconverter

う荷電粒子からのエネルギー移行によりシンチレーション発光が起こる．この発光のSum

Multichannelanalyzer

強度は荷電粒子のエネルギーに比例する．
また，発光の頻度はシンチレータ内での壊Amplifier

変頻度に対応する．LSAではこのシンチレーション発光の強度と発光頻度を測定する．

Fig. 1. Schematic diagram of a liquid
scintillation analyzer.

LSAの一般的な構成をFig.1に示す[1]．通常のLSAではシンチレーション光の検出用に2本光電子増倍管を備えており，これらPMTからの出力は同時計数回路につながれている．
これは，PMTのノイズと放射線によるシンチレーション発光を区別するためである．両PMTより信号が同時に発せられた場合は，放射線によるシンチレーション発光と識別される．
これにより，バックグラウンドの計数値が低く保たれる．分岐されたPMTの出力は加算回路により合成され，一つの波高信号とする．これは，トリチウムのようなエネルギーの低いβ線による波高を大きくさせるとともに，カクテル内での発光位置の補正の役割も担っている．加算回路から出力された信号は増幅回路により整形と増幅が行われる．次いで，この信号はアナログデジタル変換器へ送られ，信号の波高値はデジタルシグナルとなる．この際，変換されるデータは同時計数回路より出力されるゲート信号により弁別され，放射線のシグナルのみを選択する．変換されたデジタル信号はマルチチャンネルアナライザー
により，波高分析が行われシンチレーションスペクトルを与える．

３．NIMモジュールによるLSAの構成構築したLSAの構成をFig.2に示す．このLSAはNIM規格に準拠するモジュールを用いて構築した．使用したNIMモジュールをTable 1に示す．このLSA装置には，PMTとプリアンプが53

原正憲・二上ひかり・阿部信介

一体となったシンチレ
PMT1ーションプローブを用PMT2いている．このプローブ
PRE
AMP 1

LINER
AMP 1

TIMING
S. C. A. 1

PREAMP 2

LINERAMP 2

TIMING
S. C. A. 1

UNIVERSAL
COINCIDENCESCALER andTIMER

はPMTのダイノードとアノードから信号を出力

SPECTROSCOPY
AMP 1出来るものであり，ダイDIGITALOSCILLOSCOPECOMPUTERSPECTROSCOPY
AMP 2

ノード出力は波高を分析する信号，アノード出力はタイミングを分析

Fig. 2. Diagram of the liquid scintillation analyzer assembledする信号に用いている．

with NIM components.

プリアンプからのアノード出力はリニアアンプにより増幅と整形を行い，バイポーラー信号としている．そしてタイミングシングルチャンネルアナライザーにより，ゼロクロス点で，同時計数回路に対してタイミング信号を発信している．2つのタイミング信号に重なりがあれば，両PMTで同時に信号が発せられたとして，ゲート信号をデジタルオシロスコープに送っている．一方，ダイノードからの出力は波高分析に使用する．このため信号は良好な波高分解能が得られるユニポーラーのガウス波形へスペクトロスコピーアンプを用いて整形され，デジタルオシロスコープに送られる．デジタルオシロスコープでは同時計数回路からのゲート信号を受けて，4μ秒程度のサンプリングが行われる．このサンプリングされたデータはコンピュータに送られ，波高分析され，波高データが蓄積される．このデータサンプリングと波高分析はLabViewで書かTable 1. LSA components
NameProduct
Scintillation probe
OKEN SP-200(PMT, Pre-amplifier)Linear amplifier
OKEN 704-4B
Timing single channel analyzer
OKEN 706-2B
Universal coincidence
OKEN 708-3
Scaler and Timer
OKEN 711-7
Spectroscopy amplifier 1
Canberra Model 2021
Spectroscopy amplifier 2
Canberra Model 2025
Digital oscilloscope
Tektronix DPO3014

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NIMモジュールを用いた液体シンチレーション分析器の構築れたアプリケーションにより行われる．蓄積されたデータはROOT[2]によりヒストグラムデータに変換し2次元シンチレーションスペクトルを構成する．
シンチレーションスペクトルを測定する際のPMTに印加する電圧は1.7 kVとした．

４．シンチレーションスペクトルの測定結果

Fig.3に同時計数回路からのゲート信号及びスペクトロスコピーアンプの出力波形をデジタルオシロスコープで測定した一例を示す．1チャンネルと2チャンネルはアンプからの信号波形，3チャンネルは同時計数回路からのゲー
ト信号を示している．同時計数回路からの1μsのゲート信号の立ち上がりをトリガーとしてサンプリングを行った．

Fig. 3. Pulse shape of PMT outputs throughspectroscopy amplifiers and gate signal.

アンプから出力される信号出力はゲー
ト信号の立ち上がりより1μs遅れて立ち上がりが起こっていることが分かる．
これは，スペクトロスコピーアンプでの波形整形のためのシェーピングタイムを１μsとしたためである．このシェーピングによる遅れを考慮することにより，ゲート信号の立ち上がりをトリガーとすることができ，アンプからの信号波形の最大波高値が測定出来ることが分かった．また，信号波形は左右対称なガウシアンを示しており，波形Fig. 4. Bifunctional scintillation spectrum of 14Cの終端のアンダーシュートは大きくな

from individual PMTs.

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原正憲・二上ひかり・阿部信介

い．つまり，連続する信号においても適切に波高の分析が出来ることが800示された．

Counts600

Fig.4にPMTそれぞれの波高値の分布を色の変化で表した2次元のシン400

チレーションスペクトルを示す．なお，このシンチレーションスペクト

200ルの構築では，0から5Vの範囲を125
002pulse height4の等間隔に分け，それぞれの頻度をPMT1+PMT2Fig. 5. Sum scintillation spectrum of 14C.

求めた．得られた2次元のシンチレーションスペクトルの等高線は扇型に広がっていることが分かる．しかし，シンチレーションスペクトルより，PMT2に比べPMT1で波高値が僅かに小さいことが分かる．また，Fig.5にPMT1とPMT2の波高値の和を用いたシンチレーションスペクトルを示す．この際，波高値の和を0.1Vの幅でヒストグラムを作成した．Fig.5に示したシンチレーションスペクトルは市販のLSAにより得られるシンチレーションスペクトルに対応する．構築したLSAのシンチレーションスペクトルは市販のLSAで得られるスペクトルに比べ低波高側での計数値が少ない．これは，タイミングシングルチャンネルアナライザーの弁別レベルが0.1Vになっており，小さなシグナルが弁別され読まれていないことが挙げられる．これを改善するためにはリニアーアンプの増幅率を最適化する必要がある．
Fig.4，5に示したシンチレーションスペクトルは，試料のクエンチングを強くするに従い低波高側に圧縮されることを確認しており，この変化はLSAの測定原理より予想されるものである．
以上のことより，構築したLSAはシンチレーションスペクトルを測定出来ることが示された．しかし，低波高領域での2次元シンチレーションスペクトルを測定するためには，リニアアンプとスペクトロスコピーアンプの増幅率の最適化が必要である．さらに，デジタルオシロスコープを用いた波高分析部をマルチチャンネルアナライザーに変更することで，より高分解能のシンチレーションスペクトルを取得出来る装置と成る．

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NIMモジュールを用いた液体シンチレーション分析器の構築

５．まとめ
LSAでの放射能測定において重要なクエンチングの補正方法を検討するために，それぞれのPMTから信号を取り出すことの出来るLSAをNIMモジュールにより構築した．このLSAはそ
れぞれのPMT出力から2次元のシンチレーションスペクトルを測定することが出来た．しかしながら，低波高側で計数が落ちており，同時計数回路側での弁別レベルを最適化する必要があることが分かった．
それぞれのPMTからの出力が測定出来るこの装置はクエンチングの補正方法の検討に有用な装置である．

参考文献[1] M. F. L'Annunziata, "Liquid Scintillation Analysis: Principles and Practice",
In "Handbook of Radioactivity analysis" 2nd Ed., Academic Press, 2003.
[2] http://root.cern.ch/drupal/57	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 	 M Z # 	 X	  T	  $	 	 O	  W	  @	  .	 	 

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Published by Hydrogen Isotope Research Center, Organization for Promotion of Research,
University of Toyama
Gofuku 3190, Toyama 930-8555, Japan	 	 	 Toyama Daigaku Suiso Doitai Kagaku Kenkyu Senta Kenkyu Hokoku
ISSN 1346-3675

富山大学水素同位体科学研究センター 研究報告

Annual Report of Hydrogen Isotope ResearchCenter, University of Toyama, JAPANVOL 34 2014

富山大学水素同位体科学研究センター

研究報

告第 34 巻342014二〇一四

富山大学水素同位体科学研究センター
HYDROGEN ISOTOPE RESEARCH CENTER, UNIVERSITY OF TOYAMA