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オレピークサーチのしくみ
皆さんこんにちは!今日は、横浜市民測定所の分析スタッフ山下さんが開発した「オレピークサーチ」のしくみについてのご紹介です。
前にブログでご紹介した、「オレピークサーチ」は、AT1320Aで出力したスペクトルを分析し、セシウム等の放射性核種のピークを同定するプログラムのことです。

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1 核種崩壊とその同定

 γ線は原子核内部から出る光(電磁波)で、核種の崩壊に伴って、高くなったエネルギー状態が低くなる時に発生します。この時出る光の色は核種によって決まっていますので、出た光の色を調べれば核種がわかります。これが核種の同定原理です。簡単ですね。


2 γ線スペクトルと検出器

 光の色をエネルギーで分類したものをスペクトル(spectrum)と呼びます。太陽の光をプリズムで分光した時に現れる、虹色の帯もスペクトルの一種です(青側がエネルギーが高く、赤側が低い)。核種ごとに出るγ線も電磁波の一種ですからスペクトルで表す事ができます。しかし、太陽光と違ってγ線は物凄い高エネルギーの電磁波で、人間の目には見えません。見えませんから色はわかりません。そこで、γ線の色を識別するのに良く使われる道具がシンチレータや半導体検出器です。測定所のAT1320AはCsを添加したNaIを使ったシンチレータ方式で、Geに比べ、安くて取り扱いが簡単です。しかし、スペクトルの分光能力、すなわち分解能が悲しいかな貧弱です。安かろう悪かろう、ですね。


3 NaIシンチレータによる検出

 核種ごとのγ線エネルギー(光の色)は非常に揃っていて、輝線と呼ばれます。これは、鋭い針のようなスペクトルピーク[*1]を持っています。優れた分解能を持つGe半導体検出器を使うと、簡単に核種を見分けることができます。しかし、NaIシンチレータ検出器の分解能は、Ge半導体検出器のそれの約1/50しかありません。Ge半導体では分離可能な50種類の異なる色の光が、全部同じ色に見えてしまう情けなさです。例えば、有名なI-131のγ線は364.49KeVのエネルギーピークを持っていますが、ちょっと横の351.93KeVの所に天然放射性核種であるPb214のγ線ピークがあります。この程度のエネルギー差(色の違い)は、Ge半導体検出器なら見分けられますが、NaIシンチレータでは区別が出来ません。同じ現象が、Cs-134の604.72KeVとBi-214の609.32KeVでも起きます。あら、どうしましょう?


4 間違いが精度を向上させる?~統計的性質の利用

 NaIシンチレータの分解能が低いのは、γ線を受けたNaI蛍光体が、揃った色の鋭い光を出さないからです。「正確な」色も出すのですが、それに混じって「間違った」色も出しているわけです。さらに、蛍光体から出た光は極めてかすかなため、光電子増倍管というアンプで増幅しています。この過程でまた「間違い」が起こり、更に分解能を低下させます。
 この「間違い」の発生は、シンチレーション現象という物性に基づくもので、消すことは不可能です。「間違い」とは何かメチャクチャなイメージがあります。しかしこの「間違い」の発生頻度は、真の光の色からの離れ具合でだいたい決まっているのです。実はなかなか律儀なヤツだったんですね。
 真の光の色(エネルギー)からのズレの大きさと、数え間違いの光の「数」とに一定の関係があるわけですから、逆に、この一定の関係を前提にして、光の「数」の形状(=ズレ具合)から、真の光の色(エネルギー)を「推測」することが出来ます。


5 オレピークサーチの動作原理と近接したピークの分離

 放射能検出器のスペクトル図は、γ線の数を、エネルギー毎に仕分けて数えたものです。AT1320Aのシンチレータ検出器は、盛大に数え間違いを起こすため、おのおのの核種の出すγ線の周囲に、間違ってカウントされた光の数が散らばって観測されます。この間違いカウントは、γ線ピークから離れるに従って、だんだんその数が減少していくため、スペクトルの山が徐々に低くなっていきます。このため、でろーんと広がった、鈍いピークを示します。この形状が統計的な確率分布を表しています。AT1320Aでは、おおむねこれを正規分布とみなして[*2]構いません。オレピークサーチでは、スペクトル図に対し、あらかじめ決め打ちした放射性核種のエネルギーピークを中心とした正規分布曲線でフィッティングを行い、ピークの同定を行なっています。測定器は離散的にしかエネルギーを分解できませんが、正規分布は連続分布なので、測定器のエネルギー区分とは無関係にフィッティングをします。このため測定器の物理的分解能を超えて「推測」することが可能になります。これが近接したピーク分離の原理です。
 Cs-134とBi-214を例に解説しましょう。これらの核種もγ線ピークの周辺に数え間違いによるカウント数が積上げられていて、正規分布型の山ができているはずです。しかし、この二つの核種はピークが非常に接近していて(下左図)、分解能の劣るNaIシンチレータではまるで一つの山のように見えてしまいます。ところが二つの核種はそのピークがずれているため、足し上げた山の形状は、微妙に正規分布とは異なります(下右図)。正規分布を前提にして、このズレ具合を統計的に処理すると、Cs-134とBi-214、どちらがどの程度混ざっているかが推測できます。
▼図をクリックすると大きく表示されます 図
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数式

分析スタッフ山下

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『分析スタッフ』 | 08:20:20 | コメント(2)
コメント
とても魅力的な記事でした。
また遊びに来ます!!
2013-05-18 土 22:40:27 | URL | 投資 [編集]
Re: ありがとうございます
ありがとうございます!
また、遊びに来てください。

> とても魅力的な記事でした。
> また遊びに来ます!!
2013-05-19 日 20:16:41 | URL | YCRMS [編集]
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