詫間電波工業高等専門学校研究紀要

第 34 号 (2006)

レーザーコンプトン反応により生成した準単色高エネルギー光子を用いたγ線検出器の応答特性評価
天造

秀樹*

Gamma-ray Detector Response Function Measurement for Quasi-Monochromatic HighEnergy Photons Generated by Laser Compton Scattering Interaction up to 40 MeV
Hideki TENZOU

Synopsis
In gamma-ray spectrometry, NaI (Tl) scintillation detectors are one of the most useful gamma detectors. The
gamma ray response function is required in obtaining gamma-ray emission cross-sections by unfolding themeasured pulse charge spectra. Experimental data was acquired in the energy range below 4.44 MeV by means ofa gamma ray source used as a checking source. At higher energies above 10 MeV, it proved to be morechallenging to measure the response function as there is a lack of natural monochromatic gamma ray sources. We
used laser compton scattering (LCS) photons as a source of quasi- monochromatic gamma rays. 20 and 40 MeV
quasi- monochromatic gamma-rays were successfully measured. We also compared our experimental
measurements to simulated data which can be obtained from the EGS4 Monte-Carlo simulation software. The
simulated response function showed a good agreement with our experimental data from low energies up to40MeV high energy gamma-rays.

1. 緒言
加速器駆動未臨界型原子炉（ADS）は次世代の原子炉として近年、注目を浴びている。一方、高エネルギー加速器を必要とする ADS は通常の原子炉とは異なり、より高い十 MeV 以上のエネルギーを持つ放射線に対して精度よく遮蔽設計を行う必要がある。放射線遮蔽設計においては高い透過力を持つγ線に対する輸送計算が重要となる。輸送計算においてはγ線生成二重微分断面積の測定結果が不可欠である。γ線のエネルギー計測には密度が高い NaI(Tl)がためよく用いられる。
NaI(Tl)の臨界エネルギーは 12.5MeV であることからこれ以上のエネルギーを持つγ線計測においてエネルギー分解能の劣化は電磁シャワーが主の原因となる。10MeV 以上のγ線を生成する
主要な反応として以下のようなπ0 の崩壊 1)がある。

π 0 → 2γ（１）NaI(Tl)検出器に入射するγ線のエネルギーを測定するためには NaI(Tl)検出器で計測されたエネルギースペクトルをアンフォールディングす

*

電子工学科

る必要がある。アンフォールディングにおいてはすでに既知の単色エネルギーに対する検出器の応答関数が測定されている必要がある 2),3),4)。通常、数 MeV 以下では放射性同位元素試料を用いて応答関数を測定するのであるが、10MeV 以上のエネルギー領域においては準単色エネルギーの試料が存在しないため、応答関数の測定は困難である。 しかしながら、近年、産業総合技術研
究所の電子加速器施設において 750MeV に加速された電子にレーザー光子を衝突させることで10MeV 以上の光子(LCS Photon)を発生させることに成功している。
そこで、本研究では、γ線生成二重微分断面積測定に持ちいたれる NaI(Tl)検出器のアンフォールディング作業のために、準単色の 20MeV と40MeV の LCS Photon を用いて応答関数を測定することにした。そして EGS4 電磁カスケードコード 5),6)との比較を行うことにした。

2．実験
2.1 レーザーコンプトン光子(LCS Photon)
実験は産業総合研究所の TERAS 電子貯蔵リン67

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Nd:YLF Laser
Laser focus pointMirror
Lenz

LCS photons
with quasi-energy

Pb Collimator

NaI (Tl) scintillation detector

Acceleratedelectrons
Electron storage ring
TERAS

図1. LCS Photonによる応答関数測定実験

グ加速器施設において行った。加速器内の加速電子とレーザー光子とを衝突させて後方にコンプトン散乱した光子を取り出し、高エネルギーLCS
Photon として用いた。LCS photon は準単色のエネルギーを持ち、加速器内の電子のエネルギー、もしくは抽出する散乱角を変えることでエネルギーも可変である。Ohgaki7)らが CsI(Tl)γ線検出器を用いて LCS Photon のエネルギーの分解能を測定したところ、5MeV の LCS Photon に対して2.7%、10MeV に対しては 6.6%であることがわかった。本測定においては、図１に見られるようにレーザー光子発生源として Nd: YLF laser を用いた。
波長は 10MeV の LCS Photon を生成するときには527nm、40MeV に対しては 263nm を用いた。レー
ザーのパルスサイクルは 1kHz に設定した。レーザーはミラーやフォーカスレンズを経由して加速器リング内に入射される。電子は 750MeV に加速させた。コンプトン散乱した光子は 20MeV に対して 5.5%、40MeV 対し 10%になるようにコリメータによって細く絞った。加速器周辺からのバックグラウンドを除去するため、鉛ブロックをおいた。

防いでいる。図 3 に示すように回路を構成し、パルス波高を取得した。増幅された信号はディバイダーによって２つに分割され、一方は Analog
Digital Converter ADC (LeCroy 2245A)のゲート信号を生成するために、そしてもう一方は ADC の入力部に接続されている。ゲート信号では入力信号とタイミングを会わせるため、ディレイを設けてある。10MeV 以下のγ線に対しては 60Co と137Cs を用い、図２のように入射方向を設定した。
検出器は図１のように LCS Photon の下流側においた。バックグラウンドと過剰な LCS Photonを抑えるために鉛板をおいた。LCS Photon をNaI(Tl)検出器に照射しているときの様子を図 4に示す。光っている場所が LCS Photon が照射されている部分出ある。
Incident directionof gamma rays

64mm

Al case0.5mm thickness

131mm

NaI(Tl) Quartz Al end plate
Photomultiplifier

115mm

2.2 NaI(Tl)シンチレーション検出器
測定に用いた NaI(Tl)検出器を図２に示す。入射平面は 115 mm×64 mm である。0.5mm のアルミカバーで NaI が空気中の湿度にさらされるのを360mm

図 2. NaI(Tl)検出器の概観

Photomultiplifier
NaI (Tl) detector

AmplifierHigh Voltage
Power SupplyDivider

DelayAnalog to Digital
Converter (ADC)

Gate generator

図3. ADCを用いた波高測定システムのブロック図68詫間電波工業高等専門学校研究紀要

第 34 号 (2006)

4.44MeV photons

50
Single escapeTotalCounts/bin

40302010

Double escape
33.54

4.555.5

6

Deposition Energy[MeVee]

図 4. LCS Photon を NaI(Tl)検出器に照射しているときの様子

図 5. Am-Be からの 4.4MeV のγ線エネルギースペ
クトルの測定結果。点線は実験値、実線はEGS4 で計算した結果。

3. 結果

20 MeV LCS Photons
10000

3.1 応答関数
8000
Counts/bin

Co, 137Cs, Am-Be の放射性同位元素試料に対して応答関数を測定した。これらのうち、4.4MeVのγ線を放出する Am-Be の測定結果を図 5 に示す。
図中の点が実験値を表している。全エネルギーピークとエスケープピーク、コンプトン端が見られるのがわかる。比較のために EGS4 で計算した結果を図 5 に実線で示す。計算条件として放射線源を等方放出と仮定し、電気的ノイズを再現するために付与エネルギーに乱数をかけて実験値を再現するようにノイズを加えた。全エネルギーピー
クとエスケープピーク、コンプトン端を非常によく再現していることがわかる。
10MeV 以上の高エネルギーにおいて 20MeV と40MeV の LCS Photon を用いて応答関数の測定を行った。図 6-(a)が 20MeV の LCS Photon に対する応答関数、図 6-(b) が 40MeV に対する応答関数である。ただし、20MeV の場合には２つのピークが見られる。これはゲート幅に対して入射 LCSPhoton の数が多く、偶発的に同時に２つの光子が検出器に入射したためと考えられる。
EGS4 を用いてシミュレーションした結果を同図の実線で示す。この際に乱数によってノイズを加える作業は行っていない。同時入射による影響を除けばシミュレーションをよく一致していることがわかる。

18.5MeV6000

Sum peak

4000

6MeV

2000

5101520253035
Deposition Energy [MeVee]

40(A) 20 MeV LCS photon
40 MeV LCS Photons
1600
Counts/bin

60

35.0MeV

1200
16MeV
800
400

10203040
Deposition Energy[[MeVee]50(B) 40 MeV LCS photon
図 6. LCS Photon のエネルギースペクトル。(A)は 20MeV に設定、(B)は 40MeV に設定。点線は実験値、実線は EGS4 で計算した結果。

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3.2 エネルギー分解能
NaI(Tl)の臨界エネルギーは 12.5MeV であるので、これ以下のエネルギー領域では今回のように大きな検出器の場合、検出器のエネルギー分解能は検出器内で生成される光子の数に比例すると考えられる。よって以下のような式で表されると考えられる。

E0∆E
∝
=
E0
E01

(2)

E0

ここで E0 は入射光子のエネルギーである。この式は入射エネルギーが高くなるほど分解能がよくなることをあらわしている。しかしながら、臨界エネルギー以上になってくると電磁シャワーにより検出器から漏れ出ることがエネルギー分解能に主要な影響をもたらすと考えられる。この場合、以下のような式にしたがうと考えられる。

⎛E ⎞X
∆E
∝ 0 ln⎜⎜ 0 ⎟⎟E0ln 2 ⎝ E C ⎠Energy Resolution in FWHM[%]∆E
1=a+ b ln (E 0 ) + c
E0E0(4)

50LCS photon

302040MeV20MeV137Cs6010CoAm-Be0110Incident photon energy [MeV]

図 7. エネルギー分解能の入射γ線エネルギー依存性。実線は実験値に対してフィッティン
グ式を適用した結果。

70

4. 結論
NaI(Tl)検出器で測定した高エネルギーγ線のエネルギースペクトルに対しアンフォールディングを行うために 20MeV と 40MeV の LCS Photonを用いて応答関数の測定を行った。10MeV 以下の低エネルギーγ線に対しては放射線同位元素試料を用いて測定を行った。測定した結果と EGS4
シミュレーションコードとの比較を行った結果、非常によく一致することがわかった。また、全エネルギー範囲にわたるエネルギー分解能のフィッティング式を見つけ、これが実験値をよく再現することも示した。これらの式を用いれば、任意の入射エネルギーに対して EGS4 を用いて応答関数行列を計算でき、アンフォールディングを精度よく行うことができるようになった。

(3)

ここで X0 は放射長、Ec は臨界エネルギーである。そこで全エネルギー範囲についてアンフォールディングを行うために、エネルギー分解能の式を以下のように仮定した。

40

ここで a,b,c はフィッティングパラメーターである。図 7 にこの式でフィッティングした結果を示す。この式は NaI(Tl)検出器のエネルギー分解能を非常によくあらわしていることがわかる。

参考文献
1) Kiminori IGA et. al, 1998 Symposium on Nuclear
Data (JAERI-Conf 99-002)
2) B. W. Rust, D. T. Ingersoll, and W. R. Burrus, A
User's Manual for the FERDO and FERD UnfoldingCodes, ORNL/TM-8720, 1983
3) W.R. Burrus, Utilization of A Priori Information byMeans of Mathematical Programming in theStatistical Interpretation of Measured Distributions,
ORNL-3743 (1965)
4) W.R. Burrus and V.V. Verbinsky, Nucl. Instrum.
Methods, 67, 181 (1969)
5) H. Hirayama and Y. Namito, Implementation of aGeneral
Treatmentof
Photoelectric-Related
Phenomena for Compounds or Mixtures in EGS4,KEK Internal 2000-2 (2000)
6) W. R. Nelson, H. Hirayama, D.W. O. Rogers, The
EGS4 code system, SLAC-265, Stanford Linear
Accelerator Center, 1985
7) Hideaki Ohgaki , Hiroyuki Toyokawa et al., Nucl.
Instr.. and Meth,. A455(2000) 54--59