2021年
2021年 11月
11月 24日
24日 (オンライン)(オンライン)
大阪府立大学
大阪府立大学 放射線研究センター
放射線研究センター 成果報告会
成果報告会

クルックス管プロジェクトの着地点と今後
大阪府立大学
大阪府立大学 放射線研究センター
放射線研究センター
秋吉
秋吉 優史
優史
Special thanks: クルックス管プロジェクトにご協力頂いた皆様
E-Mail: akiyoshi@riast.osakafu-u.ac.jp
http://bigbird.riast.osakafu-u.ac.jp/~akiyoshi/Works/CrookesTubeProject.htm

先生、ご存じですか?
理科の授業で使っているクルックス管からは高い強度のX線が漏洩している場合があります!

現行の教科書にも記載されているクルックス管は、製品によっては 15cmの距離で、70μm線量当量率が 200mSv/h にも達する高い線量率の低エネルギーX線が放出されている場合があります。知らないで近付いたりすると非常に危険です。
・20keV程度とエネルギーが低いので普通のサーベイ
メーターは役に立ちません

でも、心配はいりません!
・ごく基本的な誘導コイルの設定と、距離を取って時間を短くするなどの簡単な運用法の改善で、劇的に線量を小さくすることが出来ます。

本当に大丈夫なのか心配・・
暫定ガイドラインで本当に問題無いのか、実証試験を行っています。
ガラスバッジを用いた簡単な測定を各学校で行うことが出来ます。詳し
くはホームページをご覧下さい ↓http://bigbird.riast.osakafu-u.ac.jp/~akiyoshi/Works/

クルックス管プロジェクトについて
Task 1: 線量計測

Task 2: 運用方法の検討
Task1 で開発した評価手法

放射線計測の専門家

大学・国研

ユーザーとしての学校教員

中・高

教材メーカー

教材・測定手段の提供者

民間企業

大学研究者、ＯＢ

低エネルギーX線測定技術の標準化

実際に現場で使えるシステムの開発

Task 3: 線量評価とガイドライン
保健物理・放射線防護の専門家

学校教育現場の教員

様々な製品の評価開発した教育コンテンツの評価

実態評価に伴う問題点の抽出

遮蔽体など解決策の提示

Task 4: 放射線教育プログラム普及
放射線教育の専門家

低エネルギーX線による（実効・等価）線量評価モデルの構築

Task1で測定した線量・スペクトル情報

国内外の規制実態を踏まえた上限線量の検討

Task2で検討した運用方法

全国の拠点
全国の拠点でのシンポジウム、オープンスクール、モデル校での授業、教育学部での講義など
での放射線教育プログラム普及

学会標準化

小中高大民国 オールジャパンの放射線教育ネットワークの形成

教育現場における放射線安全管理ガイドラインの作成

新規放射線教育プログラムの開発

放射線知識の国民的普及

誘導コイルを用いた高電圧印加について
放電極距離

Distance ofDischarge
Electrodes

DDE

PW
Impressed Voltage / kV

30

放電出力

パルス幅 20μs
201ms

100-10101112Time / ms

13

放電極距離 20mm, 放電出力4, 平均電流 80μA

14放電出力ダイアルによりトランスの一次側に印加する電圧を変えることで連続的に出力電圧をコントロール可能。
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。
→ 20mm にしておくと 20kV 以上かけようとしても空中放電で電流が流れるためそれ以上電圧が上がらない、安全装置となる。
ブザーの回路で、一次側に断続的な電圧のパルスを発生させ、トランスで二次側に高圧を出力する。一次側の電圧を変化させると二次側の電圧も変化する。
半導体回路で一次側のパルスを発生している装置もある。

漏洩線量の印加電圧、電流、距離依存性
放電出力変化に伴う平均電流をアナログ電流計で測定

4.50

放電極距離30mm 放電出力44.00

放電極距離20mm 放電出力270μm線量当量率 /mSv/h

3.50

放電極距離15mm 放電出力03.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
05101520253035404550

測定距離 / cm

70μm線量当量＠30cm / mSv・h-1

放電極距離 30, 20, 15mm でギリギリ放電が起こる出力に合わせて測定

43

放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

2100

これ以上電流・線量が上がらない

20406080100

平均電流 / μA

・電圧を低く抑えると極端に線量は小さくなる

・電流上昇に従い指数関数的に線量が上昇

放電極距離は20mm以下に留めて下さい。

放電出力上昇で電圧も電流も同時に上昇するため、電子線が観察できる必要最小限の出力に留めて下さい。
その上で、放電極は一定以上に電圧を上げないための安全弁の役割を果たしています。

・距離の二乗に反比例して線量は小さくなる
1mの距離では10cmの距離での線量の1/100になります。
逆に、1mから50cmに近付いただけで線量は4倍になります。

CZT半導体検出器によるスペクトル評価
200

Amptek XR-100T-CZTCZT(Cd0.9Zn0.1Te)検出器
Be窓、ペルチェ冷却

Intensity

2018/05/02 ケニス十字入りクルックス管
CZT検出器距離 80cm
放電極距離 15mm
放電極距離 20mm
放電極距離 25mm
放電極距離 30mm

放電極距離: ピークエネルギー15mm : 14.0keV
20mm : 16.4keV
25mm : 17.3keV
30mm : 18.3keV

100

d=15mmはφ3コリメーターのみ、それ以外はφ0.5鉛薄板コリメーター
も使用、r=80cm, 10min測定

0010203040
X-ray Energy / keV

50

φ0.5mm鉛コリメーターにより数cps程度まで下げることで、ようやくパイルアップせずに測定できるようになった

φ3同軸鉛コリメーター
φ2同軸黄銅コリメーター
φ1.0鉛薄板コリメーター
φ0.5鉛薄板コリメーター

実際の現場での事例
全国の37本のクルックス管について、ガラスバッジという線量計を配布することにより教員の手で線量測定を行ってもらった。

37本を測定した。10分間の測定での70μm線量当量*:25本で < 50μSv @ 1m (外挿により評価) *実効線量はさらに1/10以下。
18本で < 50μSv @ 15cm （検出限界以下）

その一方で高い線量を示した装置も存在した

ペットボトルに貼付けたガラスバッジに15, 30, 50cm の距離で10分間X線照射して返送してもらい、線量評価を行った。X線計測専用タイプの物で、同時にエネルギー評価も出来る。

放電出力最低で距離1mでも600μSv以上が検出された装置を現地調査。
管内のガスが枯れていて電流が流れにくい個体であった

最低出力、30cmの距離で放電極距離30mm: 2mSv/h
放電極距離50mm: 30mSv/h

放電極距離を20mmに縮めると、40μSv/h にまで落ちた。
距離1m、10分間では、0.6μSvに過ぎないクルックス管に印加する電圧
クルックス管の内部にはわずかに気体分子が封入されており、陰極に高電圧を印加すると、わずかな正イオンが加速されて陰極に衝突する。その際に放出された多数の二次電子を電子ビームとして観察している（冷陰極）。
このような動作原理であるため、電子線の観察には管内にわずかなガスが必要であるが、古い製品ではガラス管に吸着されるなどして残存するガスの量が少なくなり、より高電圧を印加しないと電子線を観察できなくなる。実際の教育現場にはこのような古い製品が多数残されており、高電圧を印加することにより発生する制動放射 X 線のエネルギーが高くなり、ガラス管壁に対する透過率が高くなるため、放出される線量が高くなる。

ガス圧調整の必要性はレントゲンの時代から知られており、ガス調整器が使われていた。写真は大阪府大高専にあった島津製の「教育用エッキス線装置」

わずかな印加電圧低下での大きな線量の変化
20keV 前後のX線は僅かなエネルギー変動により、クルックス管自体を構成するガラス管の透過率が何桁も変わる。
30keV と 15keV で約100倍違う。

100keV 以上のエネルギーでは余り大きく変わらない

1.E-02
1.E-081.01.E-14
透過率0.9透過率0.80.7

1.E-201.E-26
1.E-320.6

1.E-380.5

1.E-44
1.E-500.40100200300400500

X線エネルギー / keV

600700800

0510152025

X線エネルギー / keV

3mmのガラスに対するX線の透過率

30354045

暫定ガイドラインの検証
十字板は蛍光体倒しておく

塗布面

蛍光体の塗ってあるガラ
前面のガラス表面からガラス外面からガラスバッジスバッジの前面まで20cmの前面まで、15, 30, 50cm
距離1点で測定する。
でそれぞれ測定する

陰極側

放電極距離20mm
陽極側

陰極

観察できる範囲で最低に陽極放電出力

暫定ガイドラインで本当に安全が確保できるのかを、全国の教育現場の実際に使われる様々な装置で検証。
・放電極距離 20mm、放電出力は観察できる範囲で最小という暫定ガイドライン準拠の条件で線量測定を行ってもらう。
・クルックス管から 20cm の位置で、測定は10分間など統一したプロトコルで測定。
・ガラスバッジは大阪府大と各学校とを郵送でやりとりし、現場の先生の手により測定。BGの影響を抑えるために1月ごとに取りまとめて評価を行う。
大阪府立大学倫理委員会の承認を得て実験を行っています。

クルックス管からのX線測定値からの実効線量の評価*体表面での線量 =70μm線量当量

正面中心、20cm位置で体表面での線量* が100mSv/hあったとしても線量計① 1m 位置では 1/25 以下の線量になります③ 平面的にも周辺の線量は小さくなり中心位置で測定した線量計の値よりも小さくなります。
（50cmずれると2/3程度に低下）

眼の水晶体への等価線量は体表面での線量に近い値となります。

② 20keVのX線は体内で1cmで半分に減衰していき、体表面での線量と全身への線量とは一致しません。
（20keVでの実効線量は1cm線量当量の1/5、70μm線量当量の1/10程度になります。）

平面的な広がりは無視して中心点の値で評価し、遮蔽無しで10分間演示し続けても、実効線量は67μSv程度と見積もられます。

第二期実態調査結果（最終版）○測定を行った距離 20cm → 実際の生徒は 1m 以上離れるため 1/25 に減衰,
○Hp(0.07) @ 20keV → 実効線量への換算は暫定値で 1/10
○観察時間は年間で10分としているためそのまま

GBでの測定生データ測定を行った 191本中 187本の装置については 1m 距離、10分間の実効線量が国際的な免除レベルである 10μSv(IAEA BSS など) 以下に抑制されていることが確認された。
4本だけ 10μSv を超えると評価されたが、3本は 20μSv以下、1本だけ 42μSv に相当すると評価された。

Number of Crookes tubes

14012010080

2018年の暫定ガイドライン適用前の実態調査では、37本中6本が距離 1m、10分間での実効線量が 10μSv を超える可能性があり、93μSv と評価された装置もあった。

6040200ND～0.5～1～5～10～50～100

Provisional Effective dose @1m, 10min / μSv
ICRP Pub36 「科学の授業に於ける電離放射線に対する防護」 では、古い単位である実効線量当量での記載であるが年間の線量限度を0.5 mSv、個々の授業ではその 1/10 (50μSv) としており、観察時間の考え方から最も線量の高かった装置についても十分にこの指標を下回っていると言える。

やや高い値を示した装置については、何故高くなったのかの調査を行うため実機を借用中。
高くなると分かっていれば、観察時間や距離、ガラスの水槽での遮蔽などで十分防護が可能。

プロジェクトの着地点
Task 1: 線量計測

Task 2: 運用方法の検討

研究室では低エネルギーで校正された電離箱を用いて、また教育現場においてはガラスバッジを郵送しての測定により、正確な測定が可能。
箔検電器及び Kind-Mini の貸出しによる教員自身によるスクリーニング法を開発。

2018年夏に実際の教育現場における漏洩線量の実態調査を実施し、かなり高い線量を漏洩する装置が発見された。追加の検証により暫定ガイドラインを策定し、2019年度の実態調査でほとんどの装置で安全な事を確認できた。

暫定ガイドラインの策定
中学理科の教科書会社5社中4社の教師向け指導書に実験上の注意点を掲載

Task 3: 線量評価とガイドライン
日本保健物理学会において、専門研究会を設立（2019-2020年度）。法令上の問題点やエネルギーが低く透過力の小さい低エネルギーX線の実効線量評価を行う。2022年度を目標として学会標準として運用ガイ
ドライン、測定法、Q&A等を取りまとめる。

暫定ガイドラインを遵守した場合の安全性の更なる検証（今後も継続）
電圧、電流などの測定だけでは単純に危険性を判断できなかった。このためスクリーニング手法の開発を行い、ある程度高い線量が漏洩している恐れがある場合は、大阪府
大に2020年度に導入した nanoDot 線量計により信頼できる測定を継続的に行える体制を確立中。