2018.11.27

共同利用報告会

霧箱を用いた低エネルギーX線スペクトル評価
阪府大院工 量⼦放射線分野*山本 堅士、Do Duy Khiem、秋吉 優史
メールmb106005@edu.osakafu-u.ac.jp

背景
クルックス管は低エネルギーX線の放出量が想像以上に多い場合があることが明らかになりつつある。
低エネルギーX線のスペクトルを測定する必要がある。
CZT (CdZnTe)検出器、Be窓のGe半導体検出器などで評価可能であるが、学校教育現場などでも簡易に実施できる霧箱によるエネルギースペクトル評価⼿法の開発を⾏っている。

霧箱による光電⼦の観察の様⼦
⾶跡の⻑さがX線のエネルギーと対応

2

目的
霧箱で観察した多数の光電⼦の⾶跡の⻑さからヒストグラムを作成することで、低エネルギーX線スペクトルを評価できないか検討する。
そのためにも既知のエネルギーのＸ線を用いて、⾶跡の⻑さとエネルギーの関係を調べる。

評価
霧箱の⾶跡⻑さヒストグラム

低エネルギーX線スペクトル（イメージ図）

3

クルックス管 X線評価の実験方法
50cm

CZT検出器エネルギースペクトル

実験の様子
X線(30kV程)
誘導コイル

クルックス管(放電針距離40mm)（ケニス十字入り）

ペルチェ高性能霧箱
4
⾶跡の⻑さ

⾶跡の⻑さ 測定方法

⾶跡の⻑さ

⾶跡を⼿動で囲んで直径の⻑さを計測
・動画をスロー再⽣して⾶跡の⻑さが最大のときの⻑さを計測・算出した理論値は直線で⾶んだときの最大値のため計測値より大5CZT検出器と霧箱による測定結果
ピーク15keV15keV相当の電子の⾶程(4.55mm)

ICRU：Report 37 (1984) Stopping powers for Electrons and Positrons より

CZT検出器スペクトル測定結果

ペルチェ霧箱での測定結果

エネルギースペクトルと⾶跡の⻑さヒストグラムの関係を確認
6検量線の作成
クルックス管から放出されるX線エネルギーがブロードである。エネルギーピークの位置をあまり大きく変更できない。誘導コイルからの電圧が⼀定せず放出されるＸ線の出⼒エネルギーに変動がある。

検量線の作成密封線源Am-241とCuやNbを利用した特性X線（Fixされたエネルギー）を霧箱に入射する。

Am-241
入射X線エネルギーに対する⾶跡⻑さの検量線を作成出来ないか検討する。

7

検量線からの特性X線評価 実験方法
⾦属板
Am-241
Am-24159.5keV

特性X線

線源を⾦属板で覆い特性X線を発生

CZT検出器で測定

霧箱で測定

Cuの特性Kα線8.0keV、光電⼦の⾶程理論値1.8mm
Nbの特性Kα線16.5keV、光電⼦の⾶程理論値5.2mm
・アイソトープ⼿帳p110、ICRU：Report 37 (1984) Stopping powers for Electrons and Positrons より

8

CZT検出器でのエネルギースペクトル測定結果
1000

特性Ｘ線

500

Am241のみ

Escape Peak0500
Cu 8.0keV

01000

Cd Teの冷却部分 40mm35keＶのとき

Nb 16.5keV

⾶跡37mm

5000Cu(8.0KeV)とNb(16.5KeV)の特性X線のエネルギーピークを確認。 9

霧箱での⾶跡の⻑さ 測定結果
Cu 最頻値1〜2mm、Nb最頻値2〜3mm
Cu 8.0keV 光電子⾶程の理論値1.8mm
Nb 16.5keV 光電子⾶程理論値5.2mm

CuよりNbの⽅が⾶跡のピークは⻑い。
エネルギーの増加に応じて⾶跡のピークも増加。

10

考察・0℃の乾燥空気で光電子⾶程の理論値を算出

実際はエタノールの蒸気や液滴が含まれており密度が⾼いため実測値は理論値より短い。

・電子と物質の相互作用低エネルギーになればなるほど、衝突阻止能が大きくなり⾶跡の数が増加した。

（放射線概論 第７版、p91、図7.2電⼦の質量阻止能より）

・β線は電子のため⾶跡が折れ曲がる

⽴体的にも平⾯的にも⾶跡は折れ曲がり、平⾏に⾶んだ⾶跡のみ観測できる。
⻑い⾶跡ほど折れ曲がった誤差が蓄積され理論値より短くなった。

観察される⾶跡

過飽和層
光電子発生

Β線

11

まとめ
霧箱で光電⼦の⾶跡の⻑さからヒストグラムを作成することで低エネルギーX線スペクトルを評価できないか検討した。
そのためにも検量線の作成を検討した。
実験①クルックス管からのX線を霧箱とCZT検出器により計測したところ⾶跡の⻑さヒストグラムとエネルギースペクトルの対応を確認した。
②Am-241とCu、Nbを利用して検量線の作成を検討した。
特性Ｘ線エネルギーの違いに応じて⾶跡のピークも変化した。

ペルチェ⾼性能霧箱中での光電⼦の⾶程が低エネルギーX線スペクトルに対して校正可能であることが示唆された。
12

今後の展望・密封線源Sr-90を用いて実験
Am241からのγ線が遮へいされずに透過している。β線源の透過するγ線を利用し任意の⾦属で特性Ｘ線を作成できないか検討する。

・適切なエネルギー範囲や線量範囲の検証
どのエネルギーの範囲まで⾶跡が多く観察されるのか検討する。
線量が⾼くなると⾶跡の数が増加して霧箱内部の過飽和蒸気圧⼒が下がり、本来観察したい⾶程より⾶跡が短くなると考える。

・画像解析により精度の向上
現在⼿動で⾶跡の⻑さを計測しているが、画像解析により計測することで精度の向上を図る。
13

背景
2017年 学習指導要領にクルックス管に関して追記• 2008年 3⽉公布：新・中学校学習指導要領『真空放電と関連付けながら放射線の性質と利用にも触れること』• 2017年 6⽉公布：新・中学校学習指導要領解説 理科編『クルックス管などの真空放電の観察から電⼦の存在を理解させ，電⼦の流れが電流に関係していることを理解させる。』
クルックス管を用いた実験を前提にしており,中学校教育の現場で使用する必要がある
クルックス管とは真空中で陰極線を観察する装置
クルックス管14

霧箱とクルックス管による放射線教育プログラム
制動放射X線－－－＋－

電⼦の加速－＋極－極
⾼電圧電源

－

電子

→ X線 →

光電効果
電子

放射線と物質の相互作用の本質を直感的に理解
光電⼦はβ線と同様に⾼性能な霧箱であれば観察可能であり⾶跡の⻑さがX線のエネルギーと対応している。
15

⾦属の選定条件
・加工、入⼿の容易性
・5KeV〜35keV(37mm)の特性X線を放出
kx-α線の表

ペルチェ素⼦（40mm）

元素名

Kα[KeV]Kβ[KeV]Lα[KeV]

飛跡の長さ[mm]

Cu

8.048

8.905

0.929

1.8

Nb

16.615 18.623

2.166

5.2

※アイソトープ⼿帳 p110

X線放射エネルギーと吸収端より・ICRU：Report 37 (1984) Stopping powers for Electrons and Positrons より

⾶跡の⻑さのピークが右にシフトすれば⾶跡の⻑さに対応している
16

光電⼦⾶程の理論値 算出
ICRU：Report 37 (1984) Stopping powers for Electrons andPositrons, p120 , ELECTRONS IN AIR, DRYより

ENERGYが0.15MeVのとき、RANGEは0.5886mg/cm2である。
0℃の乾燥空気の密度は1.293mg/cm3より、β線の空気中での⾶程は0.5886/1.293=0.455となる。
よって、β線の空気中での⾶程は4.55mmとなる。

17特性X線 発⽣原理
• ⾶来電⼦によって内殻電⼦が弾き⾶ばされると、その後の空孔に向かって外殻電⼦が遷移する。この時に、電⼦軌道のエネルギー差に等しいエネルギーのX線が放出される。これを特性X線と呼び、通常は離散スペクトルとなる。
ee-e-電⼦線 e-e-+ 原⼦核e-+e-

空孔

ee特性Ｘ線

e-ee既知のエネルギー18

CZT検出器 特性Ｘ線エネルギースペクトル拡大19

Ａｍ２４１ CZT検出器測定結果20

考察
・電子と物質の相互作用低エネルギーになればなるほど、衝突阻止能が大きくなり⾶跡の数が増加していると考える。
※放射線概論 第７版、p91、図7.2 電⼦の質量阻止能より・β線は電子のため⾶跡が折れ曲がる
⻑い⾶跡ほど折れ曲がったことによる、誤差が蓄積され光電⼦⾶程の理論値より短くなった。電⼦は散乱されやすく、⾶程を直線距離で計測するとばらつきが大きい。

観察される⾶跡

過飽和層
線源

Β線21

Am241

線源強度

理論値
Activity 11.23μCi
Accuracy 5.0%
11.23×3.7×10^10=41.5×10^4[Bq]
よって、415[kBq]
実効線量は0.000576μSv
距離30cm
0.00576×0.415×1/0.3^2=0.0266[μSv/h]
計測値では直近で8μsV/h(0cm)
10cmで2μSv/h

CZT検出器でのエネルギースペクトル測定結果
Cu 8.0keV
Nb 16.5keV

冷却部分(40mm)

Am-241 35keＶのとき⾶跡37mm

CdTe
Escape PeakCu(8.0KeV)とNb(16.5KeV)の特性X線のエネルギーピークを確認

23

CZT検出器でのエネルギースペクトル測定結果
1000

特性Ｘ線

500

Am241のみ

Escape Peak0500
Cu 8.0keV

01000

Cd Teの冷却部分 40mm35keＶのとき

Nb 16.5keV

⾶跡37mm500
0Cu(8.0KeV)とNb(16.5KeV)の特性X線のエネルギーピークを確認 24