放射線化学, 106 (2018) 31-38

クルックス管からの低エネルギー X 線評価手法の開発
秋吉 優史, 谷口 良一, 松浦 寛人, 宮丸 広幸, Do Duy

Khiem（大阪府立大学）, 神野 郁夫, 濱口拓（京都大学）, 野村 貴美（首都大学東京）, 谷口 和史（千代田テクノル）, 小林 育夫（長瀬ランダウア）, 川島 紀子（文京区立文林中学校）, 佐藤 深（札幌市立北栄中学校）, 森山 正樹（北海道札幌市立白石中学校）, 宮川 俊晴（放射線教育フォーラム）Fig. 1 A Cookes tube in operation with a Maltese
cross plate

1はじめに2

平成 29 年 3 月に公布された中学校の新学習指導要領

背景

では、2 年生で学習する「(3) 電流とその利用」の単元

中学校の理科の授業において、平成 20 年 3 月に行わに於いて「真空放電と関連付けながら放射線の性質とれた学習指導要領の改訂では第一分野の「(7) 科学技術利用にも触れること」と言う内容が新しく追加されてと人間」の単元に於いて、エネルギー教育の一環としている。

原子力が取り上げられており、内容の取扱に於いて「放クルックス管 ( Fig. 1 ) は従来から中学校の学校教射線の性質と利用にも触れること」との記述が新しく育現場で電流と電子の流れの教材として広く用いられ追加され、30 年ぶりに放射線教育が復活している。しているが、古くはレントゲンが X 線の発見のきっかけ

かしながら当該の単元は 3 年生の一番最後に学習する内となったように、運用条件によっては非常に高い強度容であり、また「触れること」という表現は学習指導要の X 線を放出する製品が存在する。放射線作業従事者

領の記述の中では最も軽い扱いに留まっている。このではなくまた労働者でもない若年層の「生徒」に対しため、受験問題として取り上げられないなどから実際て高い線量の被ばくの可能性が検討されていないことに放射線教育を実施している学校はそれほど多くはな
は、放射線安全管理上の問題が懸念される。特に近年、 かった。
眼の水晶体に対する被ばくが問題になっており、線源をところが、平成 29 年 3 月に公布された中学校の新学見つめる必要があるクルックス管の特性上、詳細な検習指導要領では同じく第一分野の「(3) 電流とその利用」討が必要である。の単元に於いて、その内容の取扱で「電流が電子の流れしかしながら、クルックス管から放出される X 線はに関係していることを扱うこと。また，真空放電と関連エネルギーが低いため、一般的なサーベイメーターで付けながら放射線の性質と利用にも触れること。」と言は全く検出できない例もあり、学校教育現場で負担無う内容が新しく追加されている。さらに学習指導要領

く安全に実験を行うための運用上のガイドラインを提の解説では、「雷も静電気の放電現象の一種であること供する必要がある。

を取り上げ，高電圧発生装置 (誘導コイルなど) の放電

そのためには、クルックス管からの X 線について特やクルックス管などの真空放電の観察から電子の存在性評価を行い、実際にどの程度の被曝線量となるかのを理解させ，電子の流れが電流に関係していることを評価と、運用条件によってそれらがどのように変化す理解させる。その際，真空放電と関連させてＸ線にもるかの検討が不可欠である。クルックス管からの X 線

触れるとともに，Ｘ線と同じように透過性などの性質は、低エネルギーであるだけでなく、パルス場であり、 をもつ放射線が存在し，医療や製造業などで利用され空間的にも不均一、時間的にも誘導コイルからの出力ていることにも触れる。」と、かなり詳細な内容が記載の揺らぎのため不均一であるなど、評価が極めて困難されている。当該単元は 2 年生で取り扱う内容であり、である。本稿ではこれまでに明らかになったクルックス

放射線については「触れること」ではあるが、クルック管からの X 線の特性と、その評価手法について報告をス管については観察を求めており、全ての中学校に於行う。

いてクルックス管の放射線安全管理が必要となる。

1

実は、平成 20 年 3 月の学習指導要領（真空放電につ3

様々な線量計を用いた線量測定いても何も記載されていない）に則った、現行の教科書に於いても「(3) 電流とその利用」の単元に於いて、調まず、様々なサーベイメーターを用いてクルックス管査を行った 5 社全ての教科書でクルックス管による電子からの漏洩 X 線量測定を行った結果を Table1 に示す。

線の観察は既に取り上げられており、特に、合わせて使用したのはケニス製の十字板入りのクルックス管 3C-60% 程度のシェアを持つ啓林館と東京書籍の教科書でB と、ニューパワー誘導コイル ID-6 である。放電針側は、レントゲンによる X 線発見の歴史的経緯が 2 年生のを陰極、放電円板側を陽極側に接続し（以降全て同様）、当該単元で取り上げられている。（残りの 3 社は 2 年生

放電極間距離は 25 mm, 放電出力のダイアルは、20 目の当該単元では放射線に関する記述はなく、3 年次のエ盛まであるうちの 6 目盛まで上げ、若干の大気中放電がネルギーに関する単元で触れられている）発生している状況で測定を行った。クルックス管と直列に繋いだアナログ電流計の読みは 40 ñA であった。なクルックス管などの放電管からの放射線の漏洩は以お、電離箱 ICS-1323 は前面のフタを付けた場合 1cm前から報告されているが [1, 2, 3, 4]、これまで余り大線量当量 (H*(10)) を、フタを外した場合 70ñm 線量当きく取り上げられることはなかった。これらの報告に

量 (H*(0.07)) に対応するが、低エネルギーでの補正はよると、クルックス管からは、製品によっては、また使行っておらず、70ñm 線量当量に関しては目安程度に留用条件によっては、ガラス管表面から 5 cm 位置で 1cmまる。また、1cm 線量当量 についても表示値そのまま

線量当量が 100 mSv/h を大きく超える、非常に高い強でありエネルギーによるレスポンスの補正は行ってい度の X 線が放出されている [2]。

ない。

しかしながら、20 keV 以下の低エネルギーの X 線はNaI シンチレーターのうち、富士電機の NH6 は 8 keV

学校教育現場で用いられる一般向けのサーベイメータから測定可能な最新鋭のサーベイメーターであるが、正ーで線量を測定する事が不可能である。さらに、誘導常な評価を行うことは出来なかった。同様に Be 窓を使コイルからの高電圧出力がパルス状であるため発生す用しており 5 keV からの測定が可能なリガク Get SmartXU についても、非常に低い値を示しており正常な評

る X 線についてもパルス状であり、半導体検出器などではパイルアップにより正常な計測を行う事が専門家価は出来なかった。これは、クルックス管からの X 線でも非常に困難である。また、ごく僅かな印加電圧の変が単に低エネルギーであるだけではなく、誘導コイル動によっても大きくクルックス管自体を構成するガラからのパルス状の高電圧印加に対応したパルス場であス管壁の透過率が変わり、装置の経年変化によって電子るために、短時間に入射する高線量率の X 線を時間分線を出すのに必要な印加電圧が上昇していくなどする解できず、パイルアップしてしまうことに依る物である

ために、放出される線量を一律に保証することが出来と考えられる。広く放射線管理業務で一般的に用いらない。一方で、これまで報告された論文では、測定上やれている TCS-172 は、ステンレスのハウジングによる線量評価上の問題点がある。2002 年に文科省からエッ 遮蔽と、50 keV 以下はカットする補償回路により、ほクス線装置に関する通知が出ているが、これは X 線照 とんど測定できなかった。ごく僅かにバックグラウン射装置の不適切な利用による事故を受けた通知であり、 ド（0.07 μ Sv/h 程度）よりも高く出ているのは、パイクルックス管を念頭に置いていない [5]。なお、電離放ルアップしたパルスを計数している物と思われる。

射線障害防止規則における「エックス線装置」とは、第一般の家庭に普及しているエアーカウンター S はそも十条に定義されている通り「エックス線を発生させるそも 9.99 ñSv/h までしか測定できないが、0.05 ñSv/h装置」であり、エックス線を発生させることを目的としで点滅状態にもなり正常な測定を行えなかった。CsI シていない装置は規制の対象外であるとの見解が厚生労ンチレーターを使用したやや高級機のエアーカウンタ働省から示されている [6]。

ー EX についても、実際の線量からかけ離れた値となっこのため、現在日本全国の放射線計測、線量評価、放た。プラスチックシンチレーターを使用した Kind-Mini

射線安全管理の専門家と、現場の学校の先生方、これまは同様に値自体はかけ離れているが、距離に対する依で放射線教育に携わってきた様々な先生方有志による、 存性は拾えており、校正の仕方によっては使えるようになる可能性も存在する。

「教育現場などにおける低エネルギー X 線を対象とした放射線安全管理体制の確立」プロジェクト、通称クルッ

様々な検出器を評価した中で、汎用の測定器で現場

クス管プロジェクトを立ち上げ、教育現場における放での安全管理に使用出来る可能性のあるのは、現在の射線安全管理ガイドラインの作成と標準化を目指して

ところ GM サーベイメーターのみである。ただし測定いる。

可能なのはあくまでも cpm などの計数値であり、実効2線量に換算するためにはそれぞれの機体に対して校正

まず、誘導コイルからの出力電圧を制御するために、を行う必要がある。医療用の X 線装置などについて同放電極間の距離を 15 mm, 20 mm, 30 mm と変えて、ギ様の評価を行った例が大久保、野村らによって報告さリギリ大気放電する放電出力として線量の測定を行っれている [7]。ただし、GM サーベイルーターは一般にた結果を Fig. 2 に示す。陽極側の正面ガラス端面から50keV 以下の光子に対しては極端に検出効率が落ちることが知られており、さらに 100 ñs 程度の不感時間に正面方向に 15 cm, 30 cm, 50 cm 位置でそれぞれ 10 分対する数え落としの補正を行う際に、パルス場に対す算した上で距離の二乗に反比例するとしてフィッティンる補正を行う必要があるため、定量的な評価は簡単でグした。クルックス管は点線源ではないが、点線源同はない。しかし一度ガラスバッジなどで測定した場に様に概ね距離の逆二乗で線量が下がっていくことが分対して、同じ条件で測定を行っておけば、それよりも上かる。また、放電極の距離を狭くすることで、大幅にがったのか下がったのかなどの定性的な評価には使う線量率を低くすることが出来ることが分かる。ただし、ことが出来る。

放電極距離 15 mm では天候によっては大気放電が激し間測定（X 線照射）を行い、1 時間あたりの線量率に換

最後に、測定に使用した蛍光ガラス線量計は千代田テ

く起こりすぎるため、いつでもこの距離に設定できる

クノルが評価を行うガラスバッジサービスを利用した。 わけではないギリギリの距離である点に注意を要する。
様々なタイプがある中で、低エネルギー X 線を取り扱

次に、放電極距離 20 mm, 25 mm, 30 mm で放電出力

う環境で個人線量計として用いられている FX 型を使を 0 目盛から 8 目盛まで変化させ、平均電流と 30 cm用した。対象とするエネルギー範囲は 10 keVò80 keV

位置での線量率（フタ無しでの測定値を 70 ñm 線量当であり、2 Sv までの評価が可能である。通常は 0.1 mSv量率として示した）を測定した。Fig. 3 に放電出力と平単位での評価であるが、0.01 mSv 単位での報告を行う均電流の相関を、Fig. 4 に放電出力と線量率の相関をオプションを使用している（下限値は 0.05 mSv）。パルそれぞれ示し、さらにこれらから Fig. 5 に平均電流とス場かどうかに依らず積算線量を評価することが出来線量率との相関を求めた。なお、放電極距離 20 mm でるため、他のサーベイメーターに比べて信頼性が高く、 は 放電出力 4 で大気放電が激しくなったためそれ以上内部の複数のフィルターに対するレスポンスの違いか上げていない。これらの結果は放電が起こらなければら実効エネルギーを評価することが出来るため、クルッ 放電極距離は電流や線量率に影響せず、放電出力と共クス管からの X 線評価に極めて適しているが、測定後 に電流、線量率は上昇する。Fig. 5 では指数関数を用に郵送でバッジを返送して結果が帰ってくるまでに数いてフィッティングを行っているが、二次関数を用いて週間を要するため、迅速な評価は出来ない。また、今もほぼ同等の精度でフィッティングできている（頂点は回使用している FX 型は個人線量計であり、人間が装着ゼロにならない）。電流の二乗の電力量で線量が決まるすることを前提としているため、On Phantom での測のか、わずかに電圧上昇することにより透過率が指数定を行う必要があるが、20 keV 前後での測定では Free関数的に変わるのか、現在のところ明らかになっておAir での測定でもほとんど差がない（後方散乱の影響が らず、より高い放電出力までの測定を今後行っていく。
殆ど無い）と言うデータがあり、現在検証中であるが、差があった場合でもあとで補正を行うという考え方で5Free Air での測定を行っている。なお、長瀬ランダウア

クルックス管から漏洩した X 線のエネルギー評価が提供している OSL 線量計を用いたルミネスバッジサービス（2017 年度よりクイクセルバッジから変更）でまず GM サーベイメーターと遮蔽体を用いた応答かも同様の評価が可能である。

ら大まかなエネルギーを評価した。サーベイメーターとクルックス管の間に 0.5 mm ピッチでアルミ板を入れ4様々な条件での線量評価ていき、対数プロットした際の傾きから、線減衰係数を求めた。Fig 6は放電極距離 20,mm, 50 cm 位置で SEガラスバッジ及び電離箱を用いて様々な条件で測定した結果を報告する。なお、ここで報告する線量はあInternational 社の Ranger GM サーベイメーターで測定を行った結果である。その結果、放電極距離 20 mm で僅

くまでもあるクルックス管と誘導コイルの組み合わせかに放電が起こる放電出力の場合、一成分でフィッティで得られる値であり、他の装置では同様の設定で実験ングを行うと線減衰係数は 7.85 cmÄ 1 となり、20 keVを行っても全く異なる値となる可能性が高く、絶対値にでのアルミ中での線減衰係数が 8.85 cmÄ 1 , 30 keV でついてはあくまでも一例として捉えて頂きたい。

2.82 cmÄ 1 であることから、20 keV 強の実効エネルギ3Table 1 Measurement results of low-energy X-ray radiated from Crookes tube using various type survey
metersDetector

Product nameIon chamber

NoteHitachi ICS-1323

Dose rate
15cm

30cm

50cm

Unit

without cover

8.15

1.91

0.64

mSv/h

with cover

5.3

1.28

0.47

mSv/h

Fluoroglass dosimeters

Chiyoda Technol
Glass Badge type-FX

Hp (0.07)
Hp (10)

4.62
1.62

1.26
0.48

0.48
0mSv/hmSv/h

NaI scintillator

Fuji Electric. NHC6

Be window

1.34

10.0

13.1

ñSv/h

0.17

0.17

0.15

ñSv/h

Aloca TCS-172
SE International Ranger

1min scaler

33.931.727.3

kcpm

Plastic scintillator

Kind-minino cover

1186424.5

ñSv/h

CsI scintillator

Air Counter EX

no cover

12.6

12.5

8.3

ñSv/h

Si Semiconductor

Air Counter S<9.990.05blinc

<9.99

ñSv/h

100
6

Averaged Current / μA

70μm Dose Equivalent / mSv/h

GM tubeDischarge electrode distance 30mm Power 2
Discharge electrode distance 20mm Power 2
Discharge electrode distance 15mm Power 1

4200204060
Measurement Distance / cm806040
Discharge electrode distance 20mm
Discharge electrode distance 25mm
Discharge electrode distance 30mm2000802468Discharge Power / div

Fig. 2 Correlation between the measurement distance and the dose rate. The dose rate was changed

Fig. 3 Correlation between discharge power and averaged current.

470μm Dose Equivalent＠30cm / mSv/h

70μm Dose Equivalent＠30cm / mSv/hwith discharge distance signiåcantly.

Discharge electrode distance 20mm
Discharge electrode distance 25mm
Discharge electrode distance 30mm

32100246843Discharge electrode distance 20mm
Discharge electrode distance 25mm
Discharge electrode distance 30mm

210020406080100

Discharge Power / div

Averaged Current / μA

Fig. 4 Correlation between discharge power anddose rate.

Fig. 5 Correlation between averaged current anddose rate
4ーであることが確認できた。
ガラスバッジは内部に複数のフィルターが入っているため、同様にそれらに対する応答からエネルギー評100000

価が可能であり (FX 型の場合)、同様の条件での測定で

y = 3.55×104 ×e-7.85xは実効エネルギーは 18 keV 前後と評価された。

CZT(Cd0:9 Zn0:1 Te) 検出器や、Be 窓の Ge 半導体検出器を用いてスペクトル計測を行った。測定を行う上Count Rate / cpm

10000

本 研 究 で は そ れ ら の 測 定 に 加 え て 、

1000

で、数十 cps 程度の低い計数率に於いてもパイルアップが起こってしまい、高エネルギー側に長く尾を引くス

1000ペクトルとなった。これは、クルックス管からの X 線

0.10.20.30.4

0.50.60.7

Thickness of Al Shield / cmがパルス状に放出されていることに起因する。半値幅Fig. 6 An estimation attempt of linear attenuation
coeécient using a GM survey meter.

20 ñs 程度のパルスが 10 ms に平均で 5 パルス程度放出されているため、実際に X 線が放出されているのはLive Time の 1 % 程度の時間に過ぎず、計数率を 100倍程度多く考えて測定を行う必要がある。
このため、û19 mmÇ10 mm 内径 û3 mm の円筒状の鉛アパーチャーを黄銅製のスリーブ内に複数並べるコリ

200

メーターシステムに、û0.5 mm の穴開けをした 1 mm

CZT Detector - Measurement Distance 80cm
Discharge electrode distance 15mm
Discharge electrode distance 20mm
Discharge electrode distance 25mm
Discharge electrode distance 30mm

り、入射 X 線量を極端に減らして 10 cps 以下での測定を行い、パイルアップの少ないスペクトルを取得した。
コリメーターの向きなどによって大きく線量やスペクIntensity

厚の鉛薄板を用いたコリメーターを追加することによ100

トルが異なるため、非常に測定は困難であったが、慎重な測定により誘導コイルの設定によって僅かにスペクトルがシフトしていることが確認された。

CZT 検出器により測定されたスペクトルを Fig. 7 に、ガウシアンフィッティングによるピーク位置の変化をTable 2 に示す。なお、CZT 検出器からのスペクトルは歪みがあることが知られているが [8]、補正は行って0010203040X-ray Energy / keV50

Fig. 7 An energy spectrum of X-ray radiated from
Crookes tube obtained by CZT detector

おらず、測定されたままのスペクトルを使用している。
印加電圧のパルスは誘導コイルの設定によって一定の電圧が出力されているのではなく一定のばらつきを有していたため、パルス波高のヒストグラム評価を今Table 2 X-ray spectrums that was shifted by settingof an induction coil.

後行う予定である。また、パルス波高のヒストグラムから制動放射により発生する X 線のスペクトルを計算し、さらにそれぞれのエネルギーの X 線がガラス管壁により遮蔽されることを考慮して求めた放出 X 線スペクトルと、実際に測定されたスペクトルと比較検証を行う予定である。

6

今後の展開
電離箱や CZT 検出器による線量、スペクトル測定は、中学校の教育現場で実施する事は不可能であり、より簡便な線量評価法の開発が必要である。GM サーベイ

5

Discharge
electrodeDischarge
Power

Averaged
Current

PeakEnergydistancemmdivñAkeV

152814.0202546283016.417.33084518.3参考文献

メーター程度であれば入手可能とすると、一度ガラスバッジなどで測定を行った条件で校正を行うことで、あ[1] 田原隆志, 新見克彦, 草間朋子, 吉澤康雄, 学校教育における放電管の使用状況と放射線管理のあり方,る程度の線量の目安を得ることは可能であるし、前節の方法でエネルギーも評価可能である。ただし、クルックス管からの X 線は不均一なパルス場であり、線量率、不感時間に対する数え落としの補正を行う必要がある。
このあたりの手順について今後検討を行う必要がある。
エネルギースペクトルに関しては、放射線教育で良

物理教育 35 (1987) 150{153.

[2] 大森儀郎, 学校教育における被ばく, 第 22 回放医研
環境セミナー「生活と放射線」NIRS-M-105 (1995)
107{112.

く用いられている霧箱を用いることで評価可能である度しか飛べず、その飛程を画像解析することでエネルギ[3] 藤淵俊王, 井上創, 小原哲, 加藤英幸, 小林育夫, 細田正洋, イメージングプレートを用いたクルックスースペクトルを求めることが出来る可能性がある。特管からの漏洩線量分布測定, 日本放射線安全管理学に、ペルチェ冷却式霧箱は過飽和層が薄く平面的に飛会誌 10 (2011) 40{45.

可能性がある。20 keV 程度の電子線は空中で 6 mm 程んだ飛跡のみを観察できるため、この評価に適してい[4] 宇藤茂憲, 教育現場における冷陰極管の漏洩Ｘ線る [9]。

について, 福岡教育大学紀要 66 (第 3 分冊) (2017)

また、電気と電流の単元で静電気の可視化によく使

1{11.

われる箔検電器は、どこの中学校の理科室にもある物[5] 学校におけるエックス線装置を使用した実験等につだが、一旦電荷をチャージした箔検電器は、周辺の空気中で放射線により生成した逆の電荷を吸い寄せて次いて, 初初等中等教育局教育課程課長・文部科学省

第に箔が閉じていく。この閉じる速度は線量率に依存

スポーツ・青少年局学校健康教育課長通知 (2002).

しており、一種の開放型の電離箱として機能し、湿度な[6] 電 離 放 射 線 障 害 防 止 規 則 に お け る x 線 装 置 にどの影響を余り受けないことが明らかになってきていか か る 届 出 義 務 の 簡 素 化, 全 国 規 模 で の 規 制る [10]。

改革要望に対する見解の確認 http://www8.cao.

さらに、化学線量計の一種としてヨウ化カリウムを用

go.jp/kisei/siryo/030919/09-2.pdf (2003).

いた KI 線量計（PVA ゲルを入れたものも含めて）が[7] 大久保徹, 府川和弘, 野村貴美, エックス線発生装置管理のための低線量評価法, 日本放射線安全管理

最近注目されているが、100 mSv 程度の照射が必要でありそのままではほとんど色の変化を確認できない。し学会誌 15 (2016) 66{73.

かしより低温で測定したり、濃度の調整やろ紙に染みこませるなど使用条件を調整することで使える可能性も残されており、現在検討を進めているところである。

[8] 加藤秀起, 中村光一, 津坂昌利, Cdznte 半導体放射線検出器のＸ線光子エネルギー吸収レスポンス特

このような測定上の要素技術開発と、いかに電流、電性, 電気学会論文誌Ｃ 120 (2000) 1774{1780.

圧を抑えるかというクルックス管運用上の技術開発、空[9] 秋吉優史, 放射線教育におけるペルチェ冷却式高性能霧箱の活用, 日本放射線安全管理学会誌 16 (2)間的に不均等な放射線からの実効線量評価、法令と国際機関等の勧告などの文献調査、さらに社会的受容性(2017) 72{78.などの公衆審査を経て、教育現場における放射線安全取扱のガイドラインを 2019 年冬までには策定する方針[10] 森千鶴夫, 緒方良至, 秋吉優史, 臼井俊哉, 村上浩介,羽澄大介, 中村嘉行, 神谷均, 宮川俊晴, クルックスである。

管からの漏洩 x 線測定の試み ー 箔検電器による測定の提案 ー, 日日本アイソトープ協会 第 55 回アイ
ソトープ・放射線研究発表会 ID: 3a-II-01 (2018).

謝辞
日本全国の放射線教育関係者、放射線計測の専門家、線量評価の専門家、そして実際の学校現場の数多くの先生方の協力による、「クルックス管プロジェクト」として本研究は行われた。この場を借りて深く感謝を表明したい。

6