最新放射線安全管理学特論

測定技術
秋吉 優史

個人モニタリング
外部被ばく・蛍光ガラス線量計（ガラスバッジ）や半導体式線量計（ポケットメーター）、アラームメーターなどにより1cm線量当量、70μm線量当量をモニタリングする・体幹部の測定は男子は胸部、女子は腹部・末端部の測定を行う必要がある場合は、体幹部に加えてリングバッジなどにより必要な部位の測定を行う

内部被ばく
・ホールボディカウンタによる体外からの測定
・バイオアッセイによる排泄物からの摂取量の評価
・空気中濃度からの摂取量の評価 → 計算による評価

蛍光ガラス線量計
・蛍光ガラス線量計はガラスバッジに用いられる固体測定素子であり、銀活性リン酸塩ガラスに放射線を照射した後に生成する蛍光中心に紫外線を入射するとオレンジ色の蛍光を発する（ラジオフォトルミネッセンス）。発光量を読み取ることで吸収した放射線の線量を知ることが出来る。
・照射した後に時間が経過しても発光量が変化しない（フェーディングが少ない）、素子間のばらつきが小さい、エネルギー特性がフラットであるなどの特性を持ち、それまで用いられていたフィルム線量計から置き換わっている。10μSvから10Svまでの幅広い線量で使用が可能である。
・複数のフィルタと組み合わせることでエネルギーの異なるγ・X線、β線の測定が一つのバッジで可能である。
・α-Al2O3:C を用いた OSL線量計も、同様にFセンター（色中心）に捕獲された電子に緑色の光を入射すると青色の発光（光輝尽性発光）を生じ、クイクセルバッジとして利用されている。
・同様に、照射後に数100℃に加熱することで蛍光を発するLiFやBeOなどの熱蛍光物質を用いた、熱蛍光線量計はTLDバッジなどで使用されている。上記二つに比べるとややフェーディングが大きい。

ガラスバッジホルダのフィルタ構造

アルミ(Al)

銅(Cu)

錫(Sn)

様々な放射線検出器による測定
放射性同位元素を利用する上で、施設の安全管理上、また利用者自身の安全を確保するために、使用する核種に合わせた測定器を用いて、空間線量と汚染の測定を行う必要がある。
線種やエネルギーの違いによる検出器の応答の違いを理解していないと、正しく評価できなかったり、全く測定することが出来ない場合がある。
また、空間線量測定の際に測定機で測定されるのは様々な物
理量に基づいて評価される実用量（線量当量）であり、防護量である実効線量ではない。エネルギーによって換算係数は変化するが一般に表示値は換算後の値である。また、線量当量として70μm線量当量か、1cm線量当量かを区別する必要がある（ほとんどは1cm線量当量）。

印加電圧とイオン電流の関係

GMサーベイメーター
最も一般的に用いられるサーベイメーターであり、GM 管からの出力パルスをそのまま計数する。β線と γ線の両方に対して用いることが出来るが、検出器の前面を覆っている雲母の膜を透過することが出来ないような低エネルギーのβ線やα線は検出することが出来ない。さらに、50keV 以下のγ/X線に関しては急激に感度が落ちる。
計測を行う単位は、放射線を何発検出したかを示す count であり、機器によりcount/ s (CPS) の場合と、count/m (CPM) の場合がある。放射線がどれだけエネルギーを持っていたのかにはほとんど関係が無く、検出器が何発検出したか、だけの計測であるため、空間線量などの定量的な測定には向いていない。
μSv/h の単位が書いてあるサーベイメーターも存在するが、良く見ると (137Cs)とあり、目盛値は137Cs からの 662keV γ線を使った校正値であるため、それ以外の場合では目安程度にしかならない点に注意する必要がある。
また、検出を行った後の不感時間が 100μs 程度有るため、比較的低い計数率でも数え落としが起こり、せいぜい数100cps 程度までしか正しく計数出来ない。
さらに強い放射線場では GM 管の中の芯線の周りに発生したイオンのさやが取り除かれる暇が無くなり、計数率が逆に下がってしまうという窒息現象を起こすため、注意を要する。

GMサーベイメーター

電離箱サーベイメーター
原理的には最も単純な、気体電離箱式のサーベイメーターは、放射線により気体が電離した量を電流としてそのまま取り出すため、良好なエネルギー特性と、均一な方向特性、各種サーベイメーターのうちで最も強い放射線場でも用いることが出来るという特徴を持つ。
しかし、一般的に感度が比較的低く、1μSv/h 程度が測定限界であるため、バックグラウンドレベル (0.05μSv/h 程度) の測定は困難。
また、回路が安定するまでやや時間を要し、使用する10分程度前には電源を入れる必要がある。

NaI シンチレーションサーベイメーター
NaI(Tl) シンチレーターに光電子増倍管（フォトマル）を組み込んで、その出力パルスを計数するサーベイメーターで、感度が高く、エネルギー特性がよいことが特徴としてあげられる。比較的重元素のヨウ素を含んでおり感度が高く、バックグラウンドレベル (0.05μSv/h 程度)でも測定可能である。
出力波高から検出したγ線のエネルギーを求められるため、電子回路を用いてエネルギー補償をした線量等量率を求めることが出来る。しかし、 NaI 結晶は吸湿性があるため密閉する必要があり、ステンレスハウジングをβ線は通過できず、また 50keV 以下の γ線も補償回路によりカットされてしまうた
め測定することは出来ない。このため、強度が強くてもエネルギーの低い X線や、遮蔽体による散乱線は測定することが出来ないため、注意を要する（そのような場合は電離箱を用いる）。

♪
ピッ

高エネルギーの放射線
ズバッ!

高エネルギーの場合♪
ピッ
低エネルギーの場合

GM管や、シリコン半導体検出器（フォトダイオード）

一発は一発!
ひょろひょろ～低エネルギーの放射線

放射線のエネルギーって何?
α線やβ線など、粒子が飛んでくる放射線の場合はその粒子のスピードと思って頂ければ理解しやすいと思います。
もちろんスピードが速いほどエネルギーは高くなります。
γ線、X線は光の仲間で、エネルギーはその光の波長と言うことが出来ます。赤外線、可視光線、紫外線とだんだん波長が短くなるに従ってエネルギーが高くなります。
ここで光の強さ（明るさ）と、エネルギーの大きさは違います。
光の強さは放射線の本数に相当します。
低いエネルギーの光が何本集まっても、高いエネルギーの光になることはありません。
高いエネルギーの放射線ほど、物質を突き抜ける透過力が強くなります。

入射する放射線のエネルギーによらず、同じ大きさのパルスを出力します。
一定時間内に何発放射線が飛んできたか、と言う情報だけを知ることが出来ます。
一部の製品は、Cs-137 の 661keV のγ線が飛んできた、と言うことにして線量を評価しています。

ピ ッ♪
高エネルギーの場合♪
ピッ

低エネルギーの場合

シンチレーターや、Ge半導体検出器

きちんとエネルギーを区別
入射する放射線のエネルギーによって、出力するパルスの大きさが異なります。
どのぐらいのエネルギーの放射線が何発来たかという情報を合わせて、線量を評価します。

GMサーベイメーターによるX線エネルギー評価
アルミ中のX線エネルギー 線減衰係数μ(keV)(cm-1 )
1069.51520.8208.9
302.8100000-7.6535x

GM管計数率 / cpm

y = 34799e
10000

1000

100

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.60.7遮蔽体（アルミ）の厚さ / cm

ケニス No.121-122 十字入りクルックス管 3C-B
ケニス No.120-150 ニューパワー誘導コイル ID-6放電極距離 20mm、十字板は倒しての測定
測定は Ranger GMサーベイメーターで、不感時間100μs として数え落としを補正した
0.80.7

入射スペクトル
透過スペクトル

相対強度0.60.50.40.30.20.100510152025X線エネルギー / keV

GMサーベイメーターの前にアルミ遮蔽板を置いていき、透過率を測定した。
測定結果から線減衰係数を求めると、7.65cm -1 となり、放電針距離の20mm から想定されるエネルギー20keV強でのアルミの線減衰係数と非常に良い一致を示した。
当初低エネルギー側に尾を引いたスペクトルを想定しており、遮蔽が薄い領域で計数率が高くなる事が予想されたが、単一のエネルギーだけで説明できてしまった。
遮蔽体を用いた測定の前後で、遮蔽無しでの測定値はほぼ一致しており安定していた。また、クルック
ス管から 30cm位置での評価結果線減衰係数は6.51と若干高いエネルギーを示した。

2mmのガラス透過に伴うスペクトルの変化

ガラス管を透過する前のX線のエネルギースペクトル（最大エネルギー20keVでその半分の位置にピークを持つ）を適当に決め、2mmのガラスで遮蔽された後の強度を透過率から求めた後、全体の強度が1となるように規格化した。

元のスペクトルよりも透過率が支配的となり、最大エネルギーである 20keV がほとんどを占めるスペクトルとなった。

より高エネルギー側では透過率の変化は緩やかとなるため元のスペクトルや、蛍光体の特性X線のエネルギーに左右されると考えられる。

ZnSシンチレーションサーベイメーター
ZnSシンチレーターは透過型電子顕微鏡やイオンビーム加速器で蛍光板として多用されているが、多結晶の粉末としてしか利用できず、透明度が低く、薄い圧粉体の膜としてしか利用できない。しかし、高い検出効率を持ち、バックグラウンド計数が殆ど無いなどの特徴から、α線用のサーベイメーターとして用いられている。計測はCPS等のカウント数で行われる。
シンチレーター表面は薄いアルミ箔で覆われており、光を通さないようにしているが、容易に破れるため、突起物等に注意して使用する必要がある。
なお、ZnS 粉末をシート状に形成しているため、線エネルギー付与 (LET)の低いβ線や、γ線はほとんど素通りして発光しないため検出することが出来ない。（弱く発光したとしても内部のパルス波高弁別回路によりカットされる）→このためバックグラウンドが殆ど無い。

一般人向けのサーベイメーター
福島第一原子力発電所の事故以降、一般人がサーベイメータを用いて周辺線量や汚染検査を行う機会が増えており、様々な検出器が販売されている。
そのほとんどは、検出効率が低く、正確な値を評価するためには長時間の測定を行い、統計的に処理する必要がある。
実効線量率を評価するためには、センサーの検出効率に合わせて校正を行う必要があるが、基本的にエネルギー弁別が出来ないため、Cs-137からの661keVのγ線を検出した、として検出したパルスの数のみから実効線量率（μSv/h）を評価している。線量率によって検出効率が変化する場合などは電子回路による補正が必要である。なお、100μSv/hを超えるような高線量率では使用できない機種が多い。
また、β線を測定可能な機種は、本来表面汚染を評価するための物で、最終的に Bq/cm2で評価されるべきであるが、通常はcounts/s (cps) 等で表示して、窓面積と検出効率から計算で求める必要がある。さらには、検出数から実効線量をγ線検出時と同様に求めてしまい、本来評価する必要のないβ線によって過大な評価を行っていることがあるため注意を要する。

一般人向けのサーベイメーター
・シリコン半導体センサー（フォトダイオード）を用いた計測器
フォトダイオードは、本来逆電圧をかけると電流が流れないダイオードに、光が当たると電流が流れるという、太陽電池と同様の効果を利用してフォトンを検出するセンサーである。これを光を通さない膜で包み、放射線を検出するようにしたもので、安価なサーベイメーターはほとんどこれを使用している。
エステーが発売しているエアカウンターSはその代表格で、3000円程度と非常に安価であるが、複数の核種を用いた実験で、理論値及びNaIシンチレーションサーベイメーターと比較してほぼ同じ値を示しており、かなり優秀である。
ただし、正確な測定には数分を要する。

一般人向けのサーベイメーター
・金属円筒GM管を用いた計測器チューブの片方を雲母の膜で覆った「端窓形」GM管と異なり、金属管で密閉されているGM管という物がフォトダイオードを使った製品の次に良く使用されている。雲母の膜に比べると金属管はβ線を遮蔽してしまう確率がずっと高いため、検出効率は落ちるが、一応β線の測定が可能である。10万円程度する高級機ではパンケーキ型の、端窓形GM管を使用した物もある。
当然、GM管であるため、エネルギー弁別は出来ず、検出したパルスの数のみからフォトダイオードを使用した製品同様に実効線量を算出している。この時、β線はγ線よりもはるかに検出効率が高く、これを計数してしまうと計数値に意味が無くなるため、β線を遮蔽した状態で校正を行っている。
表面汚染を測定する際はβ線を測定することで効率よく評価可能であるが、この際はケースの一部を外してGM管を露出させて測定を行う。

中性子サーベイメーター
熱中性子検出器には 3He 比例計数管、10BF3 比例計数管、LiI シンチレー
ターなどが存在する。それぞれ、3He(n, p)3H 、10B(n, α)7Li 、6Li(n, α)3H な
どの中性子を吸収する核反応により放出される高速荷電粒子が検出される。
厚さ10cm程度のポリエチレン製減速材で覆い、検出器の感度を線量当量換算係数に合わせてあるため、熱中性子から約 15MeVまでのエネルギー範囲で正確な中性子による線量当量を指示することが可能である。（白い減速材で丸く覆われて、重さを支える足が四本付いていることから、白豚と呼ばれることが多い）
γ線のパルスも検出されるが、中性子線によるパルスの方が大きいため内部の波高弁別値の設定によって計数しないようになっており、中性子だけを検出することができる。

Ge半導体検出器
放射性物質はそれぞれの核種に固有のエネルギーを持った γ線を放出するため、そのγ線のエネルギーを測定することにより未知試料中に含まれる核種を同定することが可能である
Ge半導体検出器はp層/空乏層/n層から構成されており、p-n 接合部の空乏層に電荷のキャリアがほとんど存在しないため、逆電圧を印加してもほとんど電流が流れないが、空乏層結晶中に高速の荷電粒子が入射すると、価電子帯にある電子は伝導帯におしあげられ、多数の電子-正孔対が生成される。
ただし、β線は（もちろんα線も）検出器を覆うステンレス製のハウジングを透過できないため、検出することは出来な
い → γ線が結晶中に入射後に発生する光電子などを検出する。
一組の電子-正孔対を作るのに要するエネルギーはGe の場合 2.96eV であり、これがエネルギー分解能となる。

非常に高価だが詳細なスペクトルを得ることが出来る

ガンマ線スペクトルの見方(1)Ge 半導体検出器（プリアンプ）AMP

エネルギー大波高大ADC高チャンネル側へ

波高大
低チャンネル側へエネルギー小波高小Ge 半導体検出器（プリアンプ）AMP

数100mV 程度

検出
時間経過と共に次々と検出する

波高小

MCA
ADC

数V 程度

増幅

デジタル変換
1ch

2ch

3ch

4ch

5ch ・・・

集計

MCA（マルチチャンネルアナライザー）で得られるスペクトルは、有限の幅のエネルギーの大きさごとに分類した、小さな棒グラフの集合で出来ている。

ガンマ線スペクトルの見方(2)γ線のエネルギーが検出器の中で全て吸収される場合、全吸収ピーク（光電ピーク）としてシャープなピークを作り、コンプトン散乱により一部のエネルギーを与える場合、コンプトンエッジより低エネルギー側にブロードなスペクトルを示す。

ガンマ線スペクトルの見方(3)200Intensity

2018 /04/19
ケニス十字入りクルックス管
検出器距離30cm
放電極距離 20mm (MT180419-A1)
放電極距離 25mm (MT180419-A2)

10000204060
Energy / keV80

パイルアップによる本来存在しないエネルギーのピーク

2本同時に入射した場合にはパイルアップによるサムピークが、電子対生成を伴う場合には511keVの消滅γと、光電ピークから511keV低いシングルエスケープピーク、1022keV低いダブルエスケープピークが見られる場合がある。

低エネルギーX線に対するサーベイメーター挙動の比較
電離箱

NaIシンチレーター

日立 ICS-1323

GM管

プラスチックシンチレーターCsI
シンチレーター

富士電機 NHC6

アロカ TCS-172

RangerKind-mini

エアーカウンターEX

距離 d

70μm線量当量

1cm線量当量

Be窓

汎用

1min scaler

カバー無し

カバー無し

(cm)

mSv/h

mSv/h

μSv/h

μSv/h

kcpm

μSv/h

μSv/h

15

8.15

5.3

1.34

33.89

118

12.6

30

1.91

1.28

1031.68

64

12.5

50

0.64

0.465

13.1

27.32

24.5

8.3

0.15

Intensity

150

100

50

0010203040
X-ray Energy / keV

50

CZT(CdZnTe)検出器によるクルックス管からのエネルギースペクトル誘導コイルを用いた高圧印加について
放電極距離

放電出力

20000

放電針距離15mm, 放電出力1目盛
15000
10000
5000V (kV)

0-5000-10000

01000

20003000

40005000

空気中での絶縁破壊電圧が 1kVで 1mm 程度であることから、放電極の距離を変えることで印加する最大電圧を規定できる。放電電圧以下では、放電出力を変えることで連続的に電圧をコントロール可能。
放電電圧以上に出力を上げると無駄に放電が激しくなるので、目的の電圧を出力するためには丁度放電が起こり出す出力程度にコントロールする必要がある。
電圧測定時にはガラス抵抗体などの物理的もサイズの大きい、100MΩ以上の抵抗と、100kΩ程度の抵抗を組み合わせた分配器を用いて測定するが、アースを取っていないとカソード側も高電圧をパルス的に出しているため、2chのオシロスコープでアノード側との差分を取る必要がある（フローティング測定）。

直接測定法とスミヤ法
汚染検査を行いたい場所の空間線量率が高かったり、通常のサーベイメーターでは測定できないトリチウムなどを測定したい場合、その場で対象物を測定する直接測定ではなく、スミヤろ紙で表面をぬぐって、バックグラウンドの低い場所で測定を行う、スミヤ法が用いられる。
対象物の表面汚染密度を求める場合には、拭き取る面積と、どの程度の効率で表面の汚染を拭き取ることが出来るかという拭き取り効率を知る必要がある。

液体シンチレーションカウンター
シンチレーターとは放射線が入射すると発光する性質を持った物質の総称であり、固体の物と液体の物があり、後者は液体シンチレーションカウンターとして使用される。
試料をシンチレーターに浸して測定するため、非常にエネルギーの低いβ線(3Hからの18.6keVのβ線など)も検出可能である。
液体シンチレーターは一種の有機溶媒であり、測定毎に捨て、バイアルを洗浄する必要があるため、手間と費用がかかるが、3H や、14C による汚染の恐れがある場合、この液体シンチレーションカウンターか、後述のガスフローカウンターを用いて検査する必要がある。
シンチレーターであるため、発光強度からエネルギーを評価できる。このため、ある程度の核種同定が可能である。

ガスフローカウンター
原理はGMサーベイメーターと同じであり、放射線による気体分子の電離に伴う電子雪崩をパルスとして測定するが、クエンチガスを雲母の膜などで密封したGM管と異なり、試料を入れたチャンバーの中に流し込んで測定を行うため、液体シンチレーションカウンター同様、非常にエネルギーの低いβ線(3Hからの18.6keVのβ線など)も検出可能である。
据置のチャンバーに試料を回転台などを用いて挿入する、2πガスフ
ローカウンターと、ハンディタイプのプローブに小型のガスボンベからクエンチガスを供給し、プローブ表面のメッシュから垂れ流し続けるサーベイメーターが存在する。
GMサーベイメーター同様にエネルギー評価はできず、countだけが出力される。

液体シンチレーションカウンター

2πガスフローカウンター