NaIシンチレータの光強度およびフォトマルのゲインは温度により大きく変化します。そのため、温度補正をしないとCs137のピーク位置は温度によりずれてきます。次のグラフはCs137のピークが温度によりどう変化するか測定した結果です。温度を-20℃～50℃の間で変化させその時のCs137の662keVのピークチャンネルを測定しました。チャンネルは50℃で465の最低となり、-10℃で589の最高となります。その差は124チャンネルで、約150keVに相当する変動幅です。

この変動を抑えるためにGeoGamma220ではフォトマルに供給する電圧を温度により変化させて、シンチレータとフォトマルの総合的なゲインが一定になるようにしています。そのため、Cs137のピークが移動しないためにフォトマルにかける電圧を測定したのが次のグラフです。

また、この電圧を発生させるためにSTM32のDACにセットする値（０～4096）のグラフも求めておきます。それが次のグラフです。
以上の測定により、ディテクタの温度とDACにセットする値が次の数式で表されます。
V = -6E-05 * t * t * t + 0.0098 * t * t + 0.2925 * t+ 695.21　tは温度（℃）
DAC　= 54.922 * V – 36296

この数式で補正を行い、Cs137のピークの変動を測定したのが次のグラフです。このグラフは温度を-20℃～10℃まで10℃毎に変化させ、その後恒温槽の電源を切り自然に30℃まで温度上昇させたものです。青のラインが温度、ピンクが電圧、黄色がCs137のピークチャンネルです。 

次のグラフは温度を30℃～50℃～０℃と変化させたものです。以上の結果では-20℃～50℃の範囲でCs137のピークチャンネルは456～465の9チャンネルの変動幅で、割合にすると約±１％に収まるようになりました。

グラフでは温度が変化した後、少し遅れて電圧が変化しています。これは電圧を決定する温度として、過去40分間の平均温度にしているためです。測定用のサーミスタはディテクタの外側ケースに貼り付けてあり、その温度がシンチレータの内部まで伝わるには時間がかかるので、その時間を考慮しています。

なお、上記の数式はテストしたディテクタにのみ適用できるもので、シンチレータやフォトマルが変われば変更する必要があります。

線量率が高くなると、測定回路のDead Timeが影響して、補正をしないと線量率が正しく表示されません。その補正のため、測定回路のDead Timeを見積りました。次の波形は,ガンマ線のパルスが積分され、AD変換がされた後、リセット回路で電荷が放電される過程を表しています。 この波形のパルス幅は４μsec程度で、Dead Timeはこの値より大きくなります。この値にプロセッサでの割り込みの処理時間などが加算されますが、その値は状況にもよるので推定が難しいです。そこで実際にパルス間隔がどうなっているか調べました。この画面で、黄色のパルスはコンデンサを放電するタイミングで発生させたパルスで、この間隔が最短でどの程度になるかでDead Timeの上限が分かります。その最短時間を見るために、この画面ではオシロをPersistモードで観測していています。グレイの部分は一度でもパルスが表示されたところです。この画面で見ると黄色のパルス間隔は最短で約4.8μsec程度ですので、Dead Timeは4から4.8μsecの間だと考えられます。

線量率の直線性をチェックしました。
基準線源（Cs137　10MBｑ）と測定器の距離を変える事で線量を増減させ、基準値とGeoGamma220の測定値と比較しました。次のテーブルはその結果で、基準値は逆二乗法で求めた値、実測値は生の測定値です。基準値は測定室のバックグラウンド(0.11μSv/h)を含んだ値です。

この基準値と実測値をグラフにしたのが次の図です。細い線はy=xのグラフで、青の線が実測値です。線量率が高くなるほどずれが大きくなっています。

次のグラフは基準値と実測値の比率で、線量率により直線性がどう変わるのかが分ります。

このグラフを見ると線量率が10μSv/h以下では、低くなるに従い実際より多めになっています。原因として考えられるのは基準線源の散乱線の影響です。線源からのガンマ線が床や壁に入射し、そこで反射されたガンマ線がディテクタに入射し、低線量率での誤差になっていると考えられます。その量は直接測定するのは難しいので、数値を適当に設定して計算すると、0.25μSv/hを差し引くと良くなりました。この値が上記のテーブルの補正値１です。なお、この0.25μSv/hは計算結果が合うように求めた数値であり、散乱線の影響が本当にそれだけあるのかは別の方法で確認する必要があります。

次に高線量率での誤差ですが、これはディテクタのDead Timeによりカウントされないためだと考えられます。ディテクタのDead Timeは別項で述べますが、４から５μsec程度です。そこで、Dead Timeの補正として　（１－CPS * DeadTime) の式により補正します。ここでCPSはスペクトルのカウント値を合計して求めた１秒あたりのカウント数です。Dead Timeの実際の値としては4.5μsecにすると一番誤差が少なくなりました。この補正を行った後の数値が補正値２です。

この補正値２では全体に５％ほど値が高めなので、補正値２を1.05で割り、最終的な補正値３を得ます。以上の３項目につての補正を行った結果、直線性は１から８０μSv/hの範囲で２％以内に収まりました。

なお、測定器としての補正はDead Timeによる補正と３番目の全体の値への補正の２項目を行う事になります。
今回のチェックでは線量率の上限は80μSv/hでしたが、グラフから見ると測定できる上限としては100μSv/hまでは行けそうな気がします。

GeoGamma220の検出回路で得られるガンマ線データはエネルギー毎のカウント数です。それを一般に良く使われる線量率に変換するために、GeoGamma220ではG(E)関数を使用しています。G(E)関数を使うと、各エネルギー毎の計数率とそのエネルギーでの関数値を掛け合わせて、簡単に線量率を求める事ができます。G(E)関数値は次の論文に掲載されています。

「実効線量当量単位に対応したNaI(Tl)シンチレーション検出器の
G(E)関数（スペクトルー線量変換演算子）の決定　」　堤正博、斎藤公明、森内茂　　http://jolissrch-inter.tokai-sc.jaea.go.jp/pdfdata/JAERI-M-91-204.pdf

この論文では、NaI（Tl)シンチレータの大きさ、ガンマ線の照射条件、求める値（カーマ、1ｃｍ線量当量、実効線量当量）毎に関数値のテーブルが記載されています。これらのテーブルのうち、使用したテーブルは２インチ円筒形シンチレータ用、平行ビーム、１ｃｍ線量当量のもので、Table1-5の2″φx2″の値です。

この関数を一般に市販する製品に利用していいのか、著者の森内先生にお聞きしたところ快諾して頂きました。また、G(E)関数のソースコードの公開も出所明記の元で良いとの事でしたので、間違いが無いのを確認した後で公開する予定です。

フォトマルには高電圧を印加しますが、その回路は次のようになっています。

回路図の左下にあるC10940が高電圧発生モジュールです。このモジュールは浜松ホトニクスの製品で、入力電圧は５V、出力電圧は０～1200Vまで可変できます。電圧の制御は、VCONT端子に０～1200mVを加えるとその1000倍の電圧が出力されます。GeoGamma220ではフォトマルには７００V程度の電圧をかけています。そのための制御電圧は、基準電圧IC　ADR441の出力が２．５Vで、その電圧を固定抵抗とポテンションメータで分圧して得ています。そして、マイクロコントローラSTM32F207のDAC出力をダイオードをとおして加える事で高電圧を可変できるようにしています。また、出力された高電圧は20MΩと33kΩの抵抗で分圧し、STM32F207のADCで電圧を測定するようになっています。

C10940は次の写真の左下に映っていますが、小型で５Vで動作し、温度範囲も-20℃～50℃で使用できるので、使いやすい高電圧電源です。この基板にはGPSモジュールなど間欠的に電流を多く消費するモジュールがあり、５Vにノイズが乗ります。そのため、コーセルの５V-5VDCDCコンバータ　SUS1R50505を通してC10940に５Vを供給しています。このコンバータを入れないと、スペクトルの30keV以下にノイズによるカウントが増える場合がありました。

部品の半田付けはリフローと言う方法で行います。作成したステンシルを使い基板にペースト状の半田を塗布し、部品を載せ、リフロー用のオーブンで加熱して半田付けします。

まず、基板のパターンに正確に合うようにステンシルを位置決めして、テープで止めます。テープは１つの辺だけで止めます。

次にクリーム半田をヘラを使って塗布します。クリーム半田はできるだけ新しいものを使うようにします。古くなると半田が流れ難くなりきれいに仕上がりません。クリーム半田はDigikeyでSMD291AXの型番のものを購入して使いましたが特に問題ありませんでした。次の画像は塗布した部分を拡大したものです。

半田を塗布した後、部品を載せ、リフローオーブンで加熱します。リフローオーブンはebayで購入したT-962というタイプを使用していますが10cm四方程度の基板では問題なく使用できています(但し中心部と周辺部で30℃ほど温度差があるので注意が必要です）。

コネクタなどは手で半田付けして、完成したのが次の画像です。

Eagleで作成した回路データから部品の半田付け用のステンシルを作成します。基板に実装する部品の多くはSMD(Surface Mount Device)で、半田付けは半田ごてでも出来ますが、半田ごてでは付けにくい部品がある事や、接着強度、製作時間などからステンシルを作成しリフローオーブンで半田付けします。

ステンシルの作成はグラフテックのシルエットカメオというカッティングプロッタを使います。

カメオ（silhouette studio）に渡すデータは、Eagleのプログラムからcream-dxf.ulp（スイッチサイエンス製）のコマンドを実行する事で作成できます。拡張子が.dxfのファイルができますので、それをカメオ（silhouette studio）に読み込ます。その際、設定としてプロパティ＞デフォルト＞ＤＸＦのインポート時の設定＞”ページに合わせてサイズを調節する”のチェックをはずします。使用する用紙とカットのパラメータは次のとおりです。

1. 用紙：OHPフィルム　PET/ 108μm　プラス　IT-120PF
2. カット回数：同じデータで３回に分けてカットする。各カットの際厚みを6、12、17と順次厚みを増す。
3. スピード：　1に設定
4. カッターの刃の調整：　0.12

正常にカットできると次の写真のような仕上がりになります。

この写真は0.5mmピッチの100ピンTQFPパッケージの部分で穴の形は少しいびつですが、実用上は問題ありません。

【2016.8.24　追記】
現在は、基板作成時にステンシルを1,000円程度で作成できます。0.5mmピッチのICが入っている場合などは基板メーカで作成した方がいいと思います。

（小林一英）