2018/09/05 日本原子力学会学会 秋の大会
@ 岡山大学 講演番号 1A15

クルックス管からの低エネルギーX線スペクトル評価○秋吉 優史1, 谷口 良一1, 宮丸 広幸1, 松浦 寛人1, Do Duy Khiem1, 安藤 太一1,神野 郁夫2, 濱口 拓2, 掛布 智久3, 谷口 和史41) 大阪府立大学 2) 京大原子核 3) 日本科学技術振興財団 4) 千代田テクノル
Special Thanks: クルックス管プロジェクトの皆様

秋吉 優史: akiyoshi@riast.osakafu-u.ac.jp
http://bigbird.riast.osakafu-u.ac.jp/~akiyoshi/Works/index.htm

今後の学習指導要領改訂スケジュール（現時点の進捗を元にしたイメージ）

平成28年８月２６日
中 央 教 育 審 議 会
教 育 課 程 部 会

資料3

２６年度

２７年度

２８年度

２９年度

３０年度

３１年度

３２年度

３３年度

３４年度

（2014）(2015）(2016）(2017）(2018）(2019）(2020）(2021）(2022）

東京オリンピックパラリンピック

中教審における検討

幼
稚園

改訂

8

20

３２年度～全面実施

先行実施

周知・徹底

採択・供給

使用開始

答申

11・ ・27

３０年度～全面実施

教科書検定

審議まとめ

論点整理

３３年度～全面実施

先行実施

周知・
徹底
教科書検定

採択・供給

使用開始

27

改訂

高等
学
校

26

・ ・中
学校

中教審諮問

小学
校

周知・
徹底

３４年度～
年次進行で実施

先行実施

周知・
徹底
教科書検定

採択・供給

使用開始

現行の中学理科教科書に於けるクルックス管の取扱教科書
5社全てでクルックス管に関する記述有り
・啓林館、東京書籍: レントゲンによるX線の発見など、放射線に関する記述がある。
・大日本図書、学校図書: クルックス管と併せた放射線に関する記述はないが、 3年でクルックス管からX線の説明、放射線の発見の歴史などもあり。
・教育出版: 放射線の記述はない。3年での記載は未確認

指導書
・啓林館: 放射線に関する注意あり。2012年版では、放電管から1mも離れれば漏洩X線の影響はほとんどないとしているが、2016年版では「X線の影響に配慮し、演示は行わず、教科書の写真や図のみでの説明にとどめる」と保守的。
・東京書籍: 放射線に関する注意あり。誘導コイルの設定（電極間隔は4cm以下）、1m以上はなれた場所から観察をする、観察時間は10秒以下にするなど、具体的な運用方針が記載されている。
・大日本図書: 放射線に関する注意あり。生徒を1m以内に近づけない。
・学校図書: 放射線に関する記述なし（誘導コイルの説明は非常に詳細）
・教育出版: 未確認クルックス管を安全に使用出来ないか?
「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」と言う内容は、完全にクルックス管を用いた実験を前提としている。クルックス管は従来から放射線教育に用いられているが、低エネルギーX線の被曝線量が想像以上に多い（数10mSv/hに達する）場合があることが明らかになりつつある。

Advanced Plan

Basic Plan
5kV程度の低電圧駆動クルックス管を用いる
ことで、X線の放出は全く考慮せずに済み、学習指導要領の要求を満たす実験体系を極めて安全に構築可能。
ここで話は完結する

中高の教育現場には、買い換える資金がない!

古い装置を用いざるを得ない場合や、放出されるX線を活用した発展的な実習実施する場
合、印加する電圧を一定以下に抑えることで最低限度のX線量に抑えて、特定方向だけにX線を取り出せる遮蔽体を組み合わせた実験体系を構築する。

本研究の目的株式会社ホリゾンからは 5kV駆動のクルックス管が 22,000円、電源も18,000円で発売されている。

何とかしてクルックス管からのX線放出をコントロールしたい。
→ 条件を変えたときのX線放出状況の正確な評価が不可欠クルックス管からのX線評価に於ける問題点
20keV 程度とエネルギーが低い
一般向けに普及している半導体素子を用いた簡易サーベイメーターはおろか、放射線計測で信頼されている NaI シンチレーターなどもエネルギーが低すぎて全く使い物にならない。

電源装置（誘導コイル）が不安定である
同じ装置を同じ設定で動作させても測定結果が大きく異なる事がある。放電極での放電電圧が天候で変化したり、メカニカルな発振回路が温度などで変化すると考えられる。

パルス状に放出されている
Be窓を用いた低エネルギーX線用 NaI シンチレーターなども販売されているが、パルス場であるためパイルアップしてしまい非常に小さい値しか示さない。Be窓のGe検出器や、CdTe検出器での測定も、非常に小さなコリメーターを使いカウントレートを落とす必要がある。

様々な測定装置による測定結果

距離 rcm
153050電離箱
日立 ICS-1323
H*(0.07)
H*(10)mSv/ hmSv/ h
5.3
8 .1 51.28
1 .9 10.465
0 .6 4距離 r
cm
153050プラスチック
シンチレーター
富士電機 NHC6 アロカ TCS-172 Kind-mini
Be窓
汎用カバー無し
μSv/h
μSv/h
μSv/h
1.340.17118100.176413.10.1524.5NaI シンチレーター

蛍光ガラス線量計
千代田テクノル ガラスバッジ FX型
H*(0.07)
H*(10)
mSv/ hmSv/ h
1.624 .6 20.48
1 .2 600 .4 8
CsIシンチレーター

GM管Ranger
1min scaler
kc pm
33.89
31.68
27.32
半導体検出器

エアーカウンターEX エアーカウンターS

カバー無し
μSv/h
12.6
12.5
8.3

μSv/h
<9.990.05点滅<9.99

一般向けに出回っている簡易サーベイメーターはもちろん、空間線量測定で信頼されている TCS-172 などでもほぼ全く測定できない。

100

4803

平均電流 / μA

70μm線量当量＠30cm / mSv・h-1

誘導コイルの設定による線量変化

2
放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

1002466040

放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

200082放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

43.5
3212.521.510020408

別の日に測定した結果（放電出力を最大の20まで上げた）

4H*(0.07) / mSv/h

70μm線量当量＠30cm / mSv・h-1

6放電出力 / 目盛

放電出力 / 目盛

3460

平均電流 / μA

801000.50050

100
150
平均電流 / μA

200250クルックス管のコンダクタンスが変化してしまっている。
CTコイルによる電流の時間変化を測定し、電圧測定結果と併せたコンダクタンスの評価、ビームパワーの評価が必要。
誘導コイルの出力限界である一定以上は線量率が上がらないようである。

Ge半導体検出器によるスペクトル評価
200

150

1000020

Intensity

Intensity

明らかなパイルアップ

検出器: Princeton Gamma-Tech
IGP100540 φ50 Be 窓 Ge検出器

2018/04/19
ケニス十字入りクルックス管
検出器距離 60cm
放電極距離 20mm (MT180419-A3)
放電極距離 25mm (MT180419-A4)
放電極距離 30mm (MT180419-A5)
放電極距離 40mm (MT180419-A6)

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)

100

余りエネルギー変化しない
50406080
d=20mm: Pb φ1mmコリメート、r=30cm
Energy / keV d=25mm: W φ0.5mmコリメート、r=30cm

0020406080
W φ0.5mmコリメート、r=60cm, 10min
Energy / keV10min

5006002018/04/19
文林中学スリット入り電極付きクルックス管
検出器距離70cm放電極距離 20mm (MT 180419-C1)
放電極距離 25mm (MT 180419-C2)
放電極距離 30mm (MT 180419-C3)

500
Intensity

Intensity

400
300
200

散乱線のみとなった

100002018/04/19
文林中学スリット入りクルックス管
検出器距離60cm
放電極距離 20mm (MT180419-B2)
放電極距離 25mm (MT180419-B3)
放電極距離 30mm (MT180419-B4)

400余りエネルギー変化しない

300
200
100204060
Energy / keV

8000

W φ0.5mmコリメート、r=70cm, 10min

204060
Energy / keV80

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

クルックス管からのX線の不均一性
正面中心、5cm位置で1cm線量当量が 100mSv/hあったとしても・・・

線量計① 1m 位置では 1/400の線量になります

眼の水晶体への等価線量の評価は別途行う必要があります② 20keV のX線は体内で1cmで半分に減衰して1cm線量当量は全身への線量を代表しません。
（実効線量と5倍程度の差が出ます）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。
（具体的には現在検証中）④ 演示時間を短くすることで、トータルの被ばく線量は時間に比例して減らせます。

⑤ 20keV では 2mmのガラスで1/5 程度にまで遮へいできます。
（アクリルでは1cmで半分）10分の演示で遮蔽無しでも、全身への実効線量は10μSvにも満たないと考えられます。

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

GMサーベイメーターの数え落としの補正
y = a・exp(-20.8x) + b・exp(-8.85x) + c・exp(-4.9x) + d・exp(-2.8x) の4成分でフィッティング
20keV

25keV

放電極距離 30mm、測定距離 50cm

30keV

40000

30000

10425000
20000

10000放電出力4放電出力3放電出力2 （放電極放電無し）
放電出力1 （放電極放電無し）

5000
0a[15keV]b[20keV]c[25keV]d[30keV]

X線エネルギー

200.10.20.30.40.50.6

パルス場での測定であるため、実際にX線が放出されている時間に対しての計数率に補正したうえで、数え落としの補正を行う必要がある。

放電出力変化に伴うX線スペクトルの変化

アルミ遮蔽体厚さ / cm

GMサーベイメーター(Ranger)による線減衰係数評価実験
3500

放電極距離 30mm、測定距離 30cm

103

3000

放電出力 0放電出力 2放電出力 4放電出力 6放電出力 82500

Intensity

70μm線量当量率 / μSv/h

104102

2000

1500

1000

10150010放電出力 8放電出力 6放電出力 4放電出力 2放電出力 0010-10

計数率が高いところで飽和しかかっており、低エネルギー成分が低く評価されてしまっている。
（一応不感時間100μsで、数え落としの補正は行っているがほとんど変わらない）

15000

10310放電出力 1放電出力 2放電出力 3放電出力 435000

Intensity

GMサーベイメーター計数率 / cpm

15keV

1050.10.20.30.40
a[15keV]b[20keV]c[25keV]

X線エネルギー

0.5

アルミ遮蔽体厚さ / cm

電離箱(ICS-1323)による線減衰係数評価実験

放電出力変化に伴うX線スペクトル変化

d[30keV]

不感時間100μsの場合理論上の上限は、10^4 cps = 600kcpm であるが、実時間の4%程度の時間しかX線が放出されていないとして計数率の補正を行うと800kcpm程度になってしまい、数え落としの補正が不可能となる。

クルックス管を利用したX線のエネルギー評価

飛跡の長さは4mm程度であり、空気中での20keV電子線の飛程6mm程度より若干短い→制動放射X線のピークは入射電子線エネルギーの 2/3 で、良く一致。

クルックス管からのX線によって弾き出された光電子の霧箱観察結果（放電針距離20mm）。

エネルギー既知のX線を入射して飛跡の長さのヒストグラムを作成し、エネルギーに拡がりを持つX線のスペクトルが評価できないか?

霧箱を用いた低エネルギーX線のエネルギースペクトル評価の可能性