放射線測定器

2024年2月5日

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放射線の測定に関する機器についてご説明します。

電離箱

電圧のかかった陰極と陽極の間にある気体に放射線が当たると、電離作用によってプラス・マイナスのイオン対が発生します。

それらが、陰極と陽極に集められて、電流を生じます。

発生する電流は、放射線が起こす電離の量に比例しますので、この電流を計測することで放射線の量がわかります。

このような原理による放射線測定器を電離箱と言います。

比例計数管

アルゴンやメタンを封じ込めた円筒測定器の陰極と陽極の間に、電離箱の場合よりも高い電圧をかけると電離作用で生じたイオン対が、それぞれの電極に引っ張られて加速します。

加速された電子対は電極にたどり着くまでに自分自身も電離を起こすようになります。

結果として、最初に生じたイオンの何倍ものイオンが集められることになります。

生じるイオン電流は、最初に発生したイオン数に比例するため、比例計数管と呼びます。

GM(ガイガー・ミュラー)計数管

アルゴンとアルコールの混合ガスを封じた比例計数管の電極間にさらに1kV程度高い電圧をかけます。

最初に生じたイオンが電極に引き寄せられる過程で起こす二次的な電離でさらにイオンが生じます。このイオンがさらに電離を誘発します。

次々にイオンが電離を誘発する過程が繰り返される現象を電子なだれと呼びます。

結果、最初の電離で生じたイオンの数にかかわりなく、大きなパルス電流が生じることになります。

このパルスを計測する測定器をGM計数管(ガイガー・ミュラー計数管)、あるいはガイガーカウンターと呼びます。

パルスの大きさは放射線のエネルギーを反映していないので、放射線の数しか測定できません。

無機シンチレーション検出器

放射線のエネルギーを吸収して励起状態となると、余分なエネルギーをシンチレーション(蛍光)により放出して安定状態に戻ろうとする現象が起きます。

一方で、金属に電磁波(光など)をあてると、光電効果が起こり、電子が発生します。

したがって、放射線によって発生したシンチレーションを金属電極に当てれば、光電効果によって光が電子に変換されます。

光電子倍増管で、電子を増幅し、生じる電流パルスを計測するのがシンチレーション・カウンターです。

放射線が当たると蛍光を発する物質をシンチレーターといい、無機と有機があります。

ガンマ線やエックス線計測用の無機シンチレーターとしては、微量のタリウムを含むヨウ化ナトリウム結晶NaIがよく利用され、アルファ線では硫化亜鉛が使用されます。

有機シンチレーターは、ベータ線の検出として、DPO(ジフェニルオキサゾール)などの発光剤をトルエンやキシレンなどの有機溶媒に溶かした液体シンチレータが用いられます。

これは、トリチウムや炭素14などの測定に広く用いられます。

他にも、ポリスチレンにp-テルフェニールを混ぜたプラスチック・シンチレータなどがあります。

半導体検出器

電離箱や比例計数管、ガイガーカウンターは気体中に生成されたイオンを電極に集めて計測するものでした。

固体を検出器に使用するには、半導体を利用します。

これにより、検出率は高く、かつイオンを電極に集めやすくなります。

半導体は、電気を通す導体と電気を通さない絶縁体の間の性質を持つ物質です。

純粋なシリコン結晶に微量のホウ素を加えたp型半導体と微量のヒ素を加えたn型半導体を接合させて電圧をかけると、接合部で放射線を起こした電離作用により電流パルスが発生します。

この電流パルスは放射線の大きさに比例します。

ガンマ線で欠かせない測定器ですが、アルファ線、ベータ線、中性子線の検出にも使用されます。