2019年 7月 30日 @ 近畿大学
近畿大学 原子炉実験・研修会～授業に活かせる放射線教育～

クルックス管を用いた放射線教育と安全管理
大阪府立大学 放射線研究センター 秋吉 優史
クルックス管プロジェクト有志各位

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

背景クルックス管とは?
Wilhelm Konrad Rontgen
1895, 真空放電管の研究中にX線を発見
1901, 第一回ノーベル物理学賞を受賞

その後の放射線研究の先駆けとなった歴史的に極めて重要な装置

William Crookes

①

－ －

②

－

－
陰極

＋

③
－

① 管内の気体が電離されて出来た ＋のイオンが－極に引きつけられて電子を叩き出す（二次電子放出）－電子の加速
0.005 - 0.1 Pa程度の真空② 印加電圧に従ったエネルギーに加速される＋陽極

誘導コイルによる 20kV 程度の高電圧印加③

ガラス管壁に電子がぶつかり
制動放射X線を放出する。20ke
V程度の電子はガラス管を透過できず、特性X線もエネルギーが低いため遮蔽される。

本発表の背景2017年3月に改正告示が公示された新・中学校学習指導要領

H31 教科書検定
H33 全面実施

p65 (3) 電流とその利用 ア（ア）電流 ○エ 静電気と電流「異なる物質同士をこすり合わせると静電気が起こり，帯電した物体間では空間を隔てて力が働くこと及び静電気と電流には関係があることを見いだして理解すること。」↓ 「内容の取扱」
p71 アの（ア）の ○エ については，電流が電子の流れに関係していることを扱うこと。また，

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月に告示された中学校学習指導要領解説 理科編
雷も静電気の放電現象の一種であることを取り上げ，高電圧発生装置 (誘導コイルなど)の放電や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。
その際，真空放電と関連させてＸ線にも触れるとともに，Ｘ線と同じように透過性などの性質をもつ放射線が存在し，医療や製造業などで利用されていることにも触れる。

放射線に関する記述は2008年3月に公布された
旧・中学校学習指導要領には記載がなかった。

クルックス管に関しては2008年版の学習指導要
領解説にも記載されていた。

クルックス管を用いた実験を行う際の安全評価が必要

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
出版社

啓林館

クルックス管自体の取扱い
クルックス管に関連させた放射線に関する記述
放射線に関する注意

大日本図書

学校図書

教育出版

○

東京書籍
教科書
○

○

○

○

2年

2年

3年

3年

×

○

指導書
○

○

×

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2017年3月に公布された新・中学校学習指導要領

p69 (7) 科学技術と人間 (ア) エネルギーと物質○ア エネルギーとエネルギー資源様々なエネルギーとその変換に関する観察，実験などを通して，日常生活や社会では様々なエネルギーの変換を利用していることを見いだして理解すること。また，人間は，水力，火力，
原子力，太陽光などからエネルギーを得ていることを知るとともに，エネル
ギー資源の有効な利用が大切であることを認識すること。
↓ 「内容の取扱」
p72 アの（ア）の ○ア については，熱の伝わり方，放射線にも触れること。また，「エネルギーの変換」については，その総量が保存されること及びエネルギーを利用する際の効率も扱うこと。
2008年3月に公布された旧・中学校学習指導要領にも同様の内容

依然としてこの内容も効果的に学習できるコンテンツの開発を行う必要があるクルックス管を安全に使用出来ないか?
クルックス管は現在既に理科教育現場で用いられているが、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線が放出されうる。しかし、放射線が出ていることを知らずに使用している教員も居る。
熱陰極を用いた数100V程度で駆動される装置や、冷陰極を用いても5kV程度の低電圧で動作し、外部には一切X線の漏洩のないクル
ックス管が本体 22,000円、電源も18,000円と手軽な金額で発売されている。

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安全な実験体系を極めて簡単に構築可能。
ここで話は完結する

Advanced Plan
5kV で動作中のクルックス管

9V電池駆動の5kV CW高圧電源

中高の教育現場には、買い換える資金がない!

1) 経済的理由により古い装置を用いざるを得ない
2) 放出されるX線を活用した発展的な実習を実施
いずれの場合も最低限度のX線量に抑えて、安全に実験を行える実験体系を構築する必要がある。

クルックス管プロジェクトの目的

ICRP 放射線防護の基準を決める三つの原則からの検討
正当化 Justification: リスクを上回る利益がなければならない→ クルックス管を用いた実演は極めて教育的効果が高く、将来的な放射線教育
コンテンツとしても非常に価値が高い。

防護の最適化 Optimization:
できるだけ被ばくを抑える（経済、社会的な要因の考慮）
ALARA(as low as reasonably achievable)の原則→ 電子線の観察だけであれば低電圧駆動の絶対安全の装置を使うことで被ば
くをゼロに出来るためこれを推奨する。が、経済的要因により直ちに全ての学校に要求するのは困難であるため、コンテンツ毎に必要なX線のエネルギーを把握し、出来る限り電圧を抑えて実験を行い被ばくを最小化する。必要に応じて遮蔽などの防護措置も行う。

線量限度 Dose Limit: 線量限度を超えてはならない→ 放射線取扱業務従事者ではない教員や、さらに労働者でもない生徒に対す
る被ばく管理目標値を、国内外の規制状況から議論する。低エネルギーX線による不均等被ばくと水晶体への等価線量についても考慮する。

今そこにあるリスクを低減するために
低電圧駆動
絶対安全の
装置の推奨

ふるさと納税制度等を用いた
買換え促進

経済的要因

徐々にリプレースしていく

暫定的措置

X線を活用したコンテンツ
を安全に実施するために低エネルギーX線
測定手法の確立
線量低減が難しい装置
は使用停止を勧告
自主的な規制ALARAに従い最低限度の被ばくに留める + 管理目標値

実態調査

線量低減
手段の確立

最終的には被ばくゼロを目指す自主的な管理
現場での線量確認手段の提供

誘導コイル設定などの運用条件、バイパス・分配抵抗の使用、クルックス管自体のリフレッシュ（アニーリング?）、遮蔽体の使用、
距離・時間の制限

クルックス管からのX線管理に於ける問題点
一般公衆に対する線量限度が法体系に取込まれていない
ICRP 1990/2007年勧告での一般公衆に対する線量限度は我が国の法体系に取込まれておらず、実効線量 1mSv/年という値も事業所境界での線量限度から導かれた値。
福島での事故後の線量限度は原子力災害対策特別措置法により定められる（現存被ばく状況）。

X線装置の定義が明確ではない

厚労省 全国規模での規制改革要望に対する見解の確認
http://www8.cao.go.jp/kisei/siryo/030919/09-2.pdf

RI法では1MeV以下のX線は対象外であり、定義されている放射線発生装置にも該当しない。
電離則においては特定X線装置の定義からは外れるが、「X線装置」の免除レベルが規定されておらず、放射線安全を確保するための法令根拠が明確ではない。

不均等被ばくであり実効線量評価が困難
20keV X線 は水での半価層が 1cm程度であるため、体表からの深さによって線量が大きく変化する。またブロードなエネルギースペクトルを持ち運用条件によってピークエネルギーも変わるが、低エネルギーではわずかなエネルギー変動で大きく透過率が変化する。平面的にも一様ではない。このため、防護量である実効線量の評価は容易ではない。

一般公衆に対する線量限度が法体系に取込まれていない
IAEA の GSR part3
計画被ばく状況として教育での放射線曝露を明示（3.1(e) ）労働者への規制の範疇に16-18歳の職業訓練に伴う線量限度を提示(実効線量 6mSv/y, 眼の水晶体
等価線量 20mSv/y, 末端部等価線量 150mSv/y) クルックス管が使われるのは一般的な理科の授業であり、これらとは切り離されるものとして考える必要がある。

ICRP Pub36 科学の授業に於ける電離放射線に対する防護
1983年の物であり実効線量当量での記載で 0.5mSv/y、目や皮膚のような単一の臓器・組織の線量当
量5mSv/yとなっており、個々の授業ではその 1/10 とされている。

ICRP-Pub101a 公衆の防護を目的とした代表的個人の線量評価
教育に伴う放射線曝露での線量評価でも代表的個人の考え方を導入する。

ICRP-Pub64 潜在被ばくの防護: 概念的枠組み 及び IAEA BSSICRP 1990年勧告(Pub60)では免除の要件として線量が trivial であること、防護が最適化されていることとされており、具体的には個人線量が 10μSv/y のオーダーとしている。

NCRP Report No.180 “Management of Exposure to Ionizing Radiation:
Radiation Protection Guidance for the United States”

無視可能個人線量として線源か行為あたり実効線量で 10μSv/y を勧告。

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はおろか、放射線計測で信頼されている NaI シンチレーション式サーベイメータもエネルギーが低すぎて実態とかけ離れた値が測定される。

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 シンチレーション式サーベイメータ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(CZT)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。

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。機械的な動作を含む誘導
コイルはその日、その時の状況で出力電圧が変動するため、系統的な比較を行うには何らかの方法でモニタしながらの測定が必要。

低エネルギーX線の線量測定

様々な測定装置による測定結果

距離 r
cm
15
30
50

電離箱
日立 ICS-1323
H*(0.07)
H*(10)
mSv/ hmSv/ h5.3
8 .1 51.28
1 .9 1
0.465
0 .6 4

距離 r
cm
15
30
50

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
1.34
0.17
118
10
0.17
64
13.1
0.15
24.5
NaI 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
1.62
4 .6 20.48
1 .2 60
0 .4 8
CsI
シンチレーター

GM管
Ranger1min 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
<9.99
0.05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。

サーベイメータのエネルギー特性

NaIシンチレーションサーベイメータのエネルギー特性(アロカ TCS-171カタログより)

電離箱サーベイメータのエネルギー特性(日立 ICS-1323マニュアルより)様々なサーベイメータのエネルギー特性(放射線計測協会 放計協ニュース
No.48, 2011, p6)

低エネルギー用NaIシンチレーターでの測定

富士電機 NHC6
φ12.7×12.7mm NaI シンチレーター
測定範囲 X線 8～300keV（～60μSv/h）,
γ線 50～1500keV（～600μSv/h）

Rigaku Get Smart XU
NaI シンチレーター
測定範囲 5～300keV（～10μSv/h）

通常の NaIシンチレーションサーベイメーター TCS-172 だけでなく、
低エネルギー測定が可能な新製品でも正常な評価が出来ない。

時間的に一様な放射線場ではなく、パルス場であることが原因

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

20
10
0

-10
10

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。

11

12Time / ms

13

放電極距離 20mm, 放電出力4, 平均電流 80μA

14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）。

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

0
0

10

20
30
40
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

70μm線量当量＠30cm / mSv・h-1

6放電極距離 30mm 放電出力2放電極距離 20mm 放電出力2放電極距離 15mm 放電出力1

4

2

0
0

20

40
60
測定距離 / cm

80100

平均電流 / μA

806040
放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

20
0
0

2

4
放電出力 / 目盛

6432
放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

1
0
0

2

4

6

8

放電出力 / 目盛

70μm線量当量＠30cm / mSv・h-1

70μm線量当量率 / mSv/h

誘導コイルの設定による線量変化

843

放電極距離20mm
放電極距離25mm
放電極距離30mm

2
1
0
0

20

40

60

平均電流 / μA

80100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 /mSv/h

3.50

放電極距離15mm 放電出力0

3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

測定距離 / cm

50

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

2
1
0
0

これ以上電
流・線量が
上がらない

20

40

60

80

100

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以下に留める

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る。
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。

・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1/100になる
1mから50cmに近付いただけで4倍になる。

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-081.0

1.E-14
透過率

0.9

透過率

0.8
0.7

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

1.E-380.5

1.E-44
1.E-50

0.4
0

100

200

300

400

500

X線エネルギー / keV

600

700

800

0

5

10

15

20

25

X線エネルギー / keV

3mmのガラスに対するX線の透過率

30

35

40

45

遮へいの有効性
0.7

放電極距離20mm(ピーク17keV程度)での測定
70μm線量当量 / mSv （10分間）

0.6

計算上20keVではアクリル1cmで半分に減衰し、5mmのガラスで1/50程度に減衰する。

0.5

遮蔽無し
アクリル0.3mm
アクリル1cm

0.4

0.3

0.2

0.1

0
0

10

20

30

40
距離 / cm

50

60

70

80

実際はもう少しエネルギーが低いため、アクリル3mmで約半分、1cmで1/3に減衰した。
厚さ1.9mm程度の軽量(1.5kg)のガラスの水槽でも、1/20～1/50 程度に減衰した。軽くて取り回しがよく持った感じがガラスとは思えないほどであったため、実際の教育現場でも十分
実用的に運用可能であると考えられる。
Hp(0.07) (μSv/h)
透過率
放電出力 遮へい前 遮へい後
(%)
0
600
11
1.8
1
620
12
1.9
2
1300
60
4.6
3
3000
160
5.3
測定距離 15cm, 放電極距離 20mm
厚さ1.9mm ガラス製水槽で遮へい。
https://www.amazon.co.jp/gp/product/B00W5DSU0C

GMサーベイメーターによるX線エネルギー評価
100000

GM管計数率 / cpm

真の計数値: y = 35937e-7.6529x

10000

計測値
真の計数値

1000

計測値: y = 34316e-7.5532x

100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

遮蔽体（アルミ）の厚さ / cm

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前後での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、50cm位置で測定し、評価結果はほぼ同じであった。

アルミ中の
X線エネルギー 線減衰係数μ(keV)(cm-1 )
10
69.5
15
20.8
20
8.9
30
2.8

GMサーベイメーター計数率 / cpm

GMサーベイメーターによるX線エネルギー評価
104

放電極距離15mmでの測定では、15keVの成分だけでは説明できず、20keVの成分との足し合わせで説明された。

ln y=a + b x
a=9.37e+00
b=-1.19e+01|r|=9.83e-01

103
102

放電極距離15mm 距離50cm
y=a*exp(-20.8*x)+b*exp(-8.85*x)a=1.76e+04
b=3.19e+03|r|=9.998e-01

101
100

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

GMサーベイメーター計数率 / cpm

アルミ遮蔽体厚さ / cm

アルミ中のX線エネルギー 線減衰係数μ(keV)(cm-1)
10
69.5
15
20.8
20
8.9
30
2.8

105

放電極距離は30mmで一定で、放電出力を変化
させると線減衰係数が変化していき、放電極で放電が起こる出力3目盛以上で一定となった。

104

103
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）

102

0

0.1

0.2

0.3

0.4

アルミ遮蔽体厚さ / cm

0.5

0.6

放電出力 線減衰係数（目盛） （cm-1）
1
7.50
2
6.05
3
3.92
4
3.89

実際の教育現場での測定

統一プロトコルによる全国教育現場での線量測定
蛍光体の塗ってあるガラ
十字板は

蛍光体

ス外面からガラスバッジ

倒しておく

塗布面

前面まで、15, 30, 50cm

放電極距離でそれぞれ測定する

陰極

陽極
放電出力

・ガラスバッジFX型を用いて低エネルギーX線の線量とエネルギーを評価。
・クルックス管からの距離、中心軸合わせ、照射時間などを統一したプロトコルを作成し、現場の先生自身の手で測定。
・系統的に距離を変えて測定し、実際に生徒の居る位置での評価を行う。
・誘導コイルの設定は「普段授業を行っている設定」で依頼し、実態を評価。
・全国16校からの協力を得て37本のクルックス管について測定を行った。

統一プロトコルによる線量測定の意義
・現場の多数の先生方自身が、低エネルギーのX線に対しても校正された測定器を使用して自分の手で測定を行っている（電離箱などでは現実問題として不可能）
・実際に生徒が観察を行う 1m 位置での評価を行っている（過去に例がない）・線量の評価と同時に低エネルギーのX線のエネルギーの評価も行っている（CZT検出器などで評価可能であるが、現実問題として現場での測定は不可能）
・それぞれの測定で評価されたエネルギーから、70μm線量当量から実効線量の換算が可能である（最終的に実効線量(Sv)での評価を必ず一度は行った上で、安全管理を検討する）

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1/5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クルックス管の安全取扱に向けて

クルックス管からの被ばく線量を下げるには
1) 印加する電圧を下げる
2) 流れる電流を下げる
3) 距離を取る

発生するX線量自体を下げる4) 遮蔽をする
5) 時間を短くする

放射線防護の三原則

クルックス管からのX線の漏洩① ガラス管内の空気が電離して出来た＋のイオンが－極に引きつけられて電子を叩き出す（二次電子放出）③ 電子がガラス管の壁に衝突するときに、制動放射X
線を放出する電子自体は完全に遮蔽され外に出てきません。

①

③

－ －

②

－

＋

－極

X線は最終的に原子の周りを回る電子
を光電効果などで弾き飛ばして（電離作用）、弾き飛ばされた光電子は低エネルギーのβ線と同じように振る舞う。
光電子の空気中での飛程は4mm程度
－

－
－

電子の加速
0.005～0.1Pa程度の真空度

高電圧電源（誘導コイル）
20kV程度④＋極④ クルックス管自体を構成するガラスにより、エネルギーの低いX線のほとんどが吸収され、比較的エネルギーの高いX線の一部が外部に漏洩する

クルックス管に封入されているガスの量が少ない（ガラスに吸着するなどして少なくなる）と、①で陰極を叩く
イオンが少なくなるため、電子が飛び出しにくくなり、電流が流れにくくなる。その結果誘導コイルに電磁エネルギーが蓄積され高い電圧が印加されてしまい、電流は小さいが ④で漏洩する線量が大きくなってしまう。
放電出力最小でも高い線量が測定されたクルックス管はこの状態だった。放電極距離を20mmに縮めると空中放電が非常に激しい一方、クルックス管に流れる電流は少なく観察が困難であった。

放電極で最大電圧を抑えることが重要1)2) 印加電圧を下げる、電流を下げる
陰極

放電極距離
陽極

円板側が陰極、針状の方が陽極

必ず放電極を取り付ける。
電気的な安全上も必須。

放電極距離は20mm以下にする。
放電出力
放電極は、一定以上の電圧がかかると空中放電してそれ以上電圧が上がらないようにする、

安全装置

空気中では 1kV で約 1mm 放電

放電出力を出来る限り下げる。
電子線を観察できる範囲で下げる

誘導コイルを用いた高電圧生成について
誘導コイル（Induction Coil）は、極端に巻き線の数の異なるトランス（実際には同軸上に巻かれている）の一次側の電流を、ベルやブザーなどと同様の機械的な接点を含めた回路で連続的にON/OFFすることでパルス状に変化させて、二次側に大きな電圧のパルスを生成する。
プラス側だけでなくマイナス側にもパルスが出るが、接点切断時の一番最初のプラス側のパルスの方が大きい。

放電出力などと書かれている調整用のダイアルは、可変抵抗などで一次側に印加する電圧を変化させている。

誘導コイル設定による出力パルスの変化

0

20

40
Time / ms60

DDE=20mm, PW0, 40μA, 120μSv/h

0

-10
0

20

40
Time / ms

60

DDE=30mm, PW4, 80μA, 1.56mSv/h

40
X-ray Energ yMaximum Voltage
Pea k Voltag e

0

20

40
Time / ms

60

30

35
30

25

25

20

20

15

15

10

10

DDE=20mm, PW4, 80μA, 1.25mSv/h

5

30

0

Impressed Voltage / kV

Impressed Voltage / kV

10

DDE=40mm

35

10

-10
0

30
20

20

45

空中放電
0

2

4

6

8

10

12

14

Voltage (kV)

1040

X-ray energy (keV)

20

-10
0

45

30
Impressed Voltage / kV

Impressed Voltage / kV

30

5
16

18

20

0
22

Output Power
20
10
0

-10
0

20

40
Time / ms

60

DDE=30mm, PW7, 96μA, 3.50mSv/h

・放電出力を上げていくと次第に出力電圧が上昇し、電圧のヒストグラムのピークと、X線エネルギースペクトルのピークは良い一致を示した。
・放電極距離によって規定される以上の電圧に上げようと放電出力を上げても、空中放電によって電流が流れて電圧がドロップし、それ以上クルックス管に印加される電圧が上がらなくなる。

クルックス管からの被ばく線量を下げるには最も確実なのは絶対安全なので何も考えなくても良い・低電圧駆動の製品に買い換える

経済的理由などで困難な場合は ↓ 以下の点に注意を払う必要がある

1) 印加する電圧を下げる
2) 流れる電流を下げる

発生するX線量自体を下げる3) 距離を取る
4) 遮蔽をする
5) 時間を短くする

放射線防護の三原則

過去の研究から策定した暫定ガイドライン

印加電圧を下げる: X 線のエネルギーが下がり、劇的に漏洩する X 線量を下げることが出来る。クルックス管自体がガラスで出来ており、このガラスに対する透過率が 15keV と 30keV
では 100 倍程度異なるためである。
遮蔽: アクリルでは 1cm の厚さでも半分程度にしかならないた
め、軽量型のガラスの水槽を用いるとよい（2mm で 1/20～
1/50 にまで下がる）。
距離を取る: 最も簡単で確実である（距離の二乗に反比例して下がる）。

・誘導コイルの放電出力は電子線の観察が出来る範囲で最低に設定する
・放電極を必ず使用し、放電極距離は20mm以下とする。

本当にこれで安全か
全国規模の実証試験
が必要

・出来る限り距離を取る。生徒への距離は 1m以上とする。
・演示時間は10分程度に抑える

放射線防護の基本
1.遮へいによる防護

2.距離による防護

3.時間による防護（線量率）＝遮へい体が厚い程低下（線量率）＝距離の二乗に反比例（線量）＝（作業場所の線量率）
×（作業時間）

コンクリート距離

放射性物質（mSv/h）（mSv/h）

（mSv）

1

2

3

4

5

コ ン ク リ ート の 厚 さ

6（cm）

線 量

線 量 率

線 量 率
0

0

1

2

3

4

5

6（m）

放 射 性 物 質 からの 距 離

6 - 3 -1
原子力・エネルギー図面集 2015

0

0.5

1.0

作 業 時 間2.0（h）

遮へいの有効性○計算上20keVではアクリル1cmで半分に減衰し、5mmのガラ
スで1/50程度に減衰するが、重くて安全な運用が困難である。
○実際はもう少しエネルギーが低いため、アクリル3mmで約半分、1cmで1/3に減衰した。
厚さ1.9mm程度の軽量(1.5kg)のガラスの水槽でも、1/20 ～1/50 程度に減衰した。軽くて取り回しが良く、持った感じがガラスとは思えないほどであったため、実際の教育現場でも十分実用的に運用可能であると考えられる。

暫定ガイドラインの遵守で十分安全であるが、さらに少しでも線量を下げたい場合のオプション
として非常に有効。

観察面
スリット入りのクルックス管は、スリットより陰極側（ビームの上流側）が最も線量が高いため、この部分を適当な金属板などで遮蔽すると効果的（ここは観察しない）。

Hp(0.07) (μSv/h)
透過率
放電出力 遮へい前 遮へい後
(%)
0
600
11
1.8
1
620
12
1.9
2
1300
60
4.6
3
3000
160
5.3
測定距離 15cm, 放電極距離 20mm
厚さ1.9mm ガラス製水槽で遮へい。わずか1356円だった。
https://www.amazon.co.jp/gp/product/B00W5DSU0C

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ス外面からガラスバッジ
ラスバッジの前面まで20cmの距離1点で測定す
前面まで、15, 30, 50cm
る。
でそれぞれ測定する

陰極側

放電極距離

陽極側

陰極

陽極
放電出力

・低エネルギーX線の線量とエネルギーを評価可能なガラス線量計を使用。
・クルックス管から 20cm の位置で、放電極距離 20mm、放電出力は観察できる範囲で最小、十字板を倒して正面方向で、照射時間 10 分という暫定ガイドラインに準拠した統一したプロトコルを作成し、現場の先生自身の手で測定。
・ガラスバッジの発送などは大阪府大から行い、1月ごとに取りまとめて測定を行う。
・BGの評価は、Snフィルターで遮蔽された素子により行う。
・測定下限が 50μSv であるが、1m 位置 10分で 10μSv になる場合、20cm 位置では 250μSvになるため、十分な検出力と言える。

クルックス管からのX線の不均一性*体表面での線量 =70μm線量当量

正面中心、15cm位置で体表面での線量* が150mSv/hあったとしても

線量計① 1m 位置では 1/44 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）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）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。
（実効線量と10倍程度の差が出ます。
正確には現在評価中）10分の演示で遮蔽無しでも、全身への実効線量は50μSvにも満たないと考えられます。

X線放射方向垂直平面内での空間線量分布

平面方向の変位を含めた
直線距離の二乗に反比例

x cm
100cm

0.2

0.1

0

Hp(0.07)
Hp(10)

-40
-20
0
20
40
X Dsitance from the Center / cm

60

Dose Equivalent (1m, 30min) / mSv

以下の式で空間分布を表わすことが出来るHp = a/(1002 + x2 + y2)

Dose Equivalent (1m, 30min) / mSv

生徒位置(z=1m)での全身への線量を評価するために、平面内での線量分布を測定した。
中心から y方向 60cm離れた位
置でも 70%程度の線量とかなりブロードな分布となっており、1.5倍以内の範囲に収まっていた。

0.2

0.1

0

Hp(0.07)
Hp(10)

-40
-20
0
20
40
Y Dsitance from the Center / cm

60

クルックス管プロジェクトについて

本プロジェクトの目的
本プロジェクトの目的は学校現場での放射線安全管理ガイドラインの策定である。
教育的価値の高い実験を放射線安全も確保したうえで安心して実施できるように環境を整備することを目指している。
関係する様々な立場の方の理解を得るためには、必要な情報を提供するのみならず、立場を超えた議論が必要であり、技術的問題点の解決だけではなく、放射線防護の根本から進むべき方向を検討する必要がある。
本プロジェクトは、線量などの計測の専門家と、線量評価、放射線防護の専門家のみならず、実際の学校教育現場の教員、放射線教育関係者、教材メーカー、教科書会社等が関わっているが、今後より多くの立場の方の意見や諸外国の管理体制を取込んでいくことにより実際の生徒や保護者に対しても納得して貰えるガイドラインを策定する。

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

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

霧箱によるクルックス管からのX線の観察①④③＋のイオンが－極に引きつけられて電子を叩き出す（二次電子放出）

－ －

②

－

＋

電子がガラス管の壁に衝突するときに、制動放射X線を放出する

X線は最終的に原子の周りを回る電子
を光電効果などで弾き飛ばして（電離作用）、弾き飛ばされた高速の光電子はβ線と同じように振る舞う。

－

霧箱

－

電子の加速

－

－極
＋極
高電圧電源（20kV程度）

X線のエネルギーは、最大でもクルックス管にかけた電圧程度で、発生時のスペクトルのピーク
は印加電圧の2/3程度。

電子を弾き出すという放射線の本質を直感的に理解できる。また、エネル
ギーの違いを弾き出された電子の飛跡の長さという形で理解できる。

クルックス管からのX線の測定結果
ピーク19.3keV

CZT検出器スペクトル測定結果

最頻値3〜4mm

ペルチェ冷却式⾼性能霧箱での測定結果

221) ペルチェ冷却式高性能霧箱
従来型の霧箱の問題点
・ドライアイスの準備、補給が必要で、長時間の連続展示が困難
・アルコールの補給などでチャンバーを開けると復帰まで数分かかる
・高温型の霧箱は起動に時間がかかり、子供向けにはヤケドの危険・市販のペルチェ冷却型は非常に高価
・天候などにより飛跡が観察できないことも台風の日でも、・α線の飛跡が見えた、だけに留まっていた

本製品の特徴ストーブを使っていても観察が可能です。

・ドライアイス不要で長時間安定してクリアな飛跡の観察が可能
・α線の飛跡の観察に加えて、β線の飛跡の観察も可能で、さらにはγ線により弾き出された光電子なども観察可能→ 放射線の種類による物質との相互作用の違いを直感的に学習出来る・市販品を使用して安価に押さえており、複数ユニット購入が容易

最新の本体ユニット

コッククロフト型高電圧ユニット
入手方法など、より詳しく知りたい方は以下のウェブサイトをご覧下さい。
http://bigbird.riast.osakafu-u.ac.jp/~akiyoshi/Works/index.htm
ホームページQRコード

高性能霧箱を用いた異なる放射線種の観察
α線の観察: ポリパックに入れた状態と、取りだしてチャンバーに入れた状態との比較
β線の観察: チャンバーの天板の「上」にマントル線源を配置 → 天板のプラスチック板でα線は遮蔽されるγ線の観察: チャンバーの上に5mm程度のアルミ板を設置してその上にマントル線源を配置→ 光電子の観察

40mm
α線の飛跡

β線の飛跡

2017/05 出荷分より、高電圧印加方法を改良し、大幅な高性能化を達成。僅かな光電子観察も可能とした。

アルファ

α線

狭い範囲に一気にエネルギーを放出します+

放射線がエネルギーを物質に与えたところ（電離、励起など）+
水の中では数十μm程度、空気の中でも数cmしか飛べず、紙一枚で止まってしまいますが、その範囲に一気にエネルギーを放出します。

ヘリウムの
原子核
ベータ

β線

実際にはまっすぐ進めず、跳ね返されながらジグザグに進みます

電子
ヘリウムの原子核の7000分の1の重さしか有りません

ガンマ

γ線
波長の短い
光の仲間

所々にぽつぽつとエネルギーを落として行きます
水の中でも1cm程度、空気の中では数m飛んでいき、少しずつしかエネルギーを落としません。

途中ほとんど素通り

所々で電子を弾き出す

プラスやマイナスの電気を持っていないため、ほとんど素通りしていきます

弾き出された電子は、β線と同じように振る舞います

表面だけでなく、深いところにもエネルギーを与えます。

2) 極めて簡易、安価で確実、高性能な霧箱工作・ダイソーのコレクションケースを使用した霧箱工作教室を実施
・ポリスチレン製でアルコールに侵されない・台座が黒く紙などを敷く必要がなく、薄いため短時間で冷却される・工作は実質スポンジテープを貼るだけ。
短く切ってあるので貼付けも容易で、説明を除くと15分かからない
・確実に全員飛跡を観察できた

ダイソーのコレクションケースを使った①

き り ば こ③

簡単・確実・霧箱工作教室④

１ まず①のケースをつつんでいるビニールを外して中身を取り出しましょう。
次に透明なふたを開けて、ふたの内側に、②のスポンジをくっつけましょう。
こんな感じでケースをセットしたときに上に来るように、両面テープの紙を上手くはがしてくっつけましょう。

はがしたビニールと両面テープの紙は、ゴミ袋に捨てて下さいね。

２ ③のボトルに入っているアルコールを、1.でくっつけたスポンジテープにしみこませてあげましょう。たっぷり注いで下さいね。
その間に、空気中のほこりを集めたガーゼを小さく切った物を、スタッフ②⑤

４ ドライアイスを集めた④の紙皿の上に、①のケースを上下一緒にのせて、上からぎゅっと押してしっかり冷えるようにしてあげましょう。
しばらくすると、細かい霧（きり）のような物が見えてきますので、⑤のライトで横から照らしてじっと見てみると・・・?!
こんな感じでななめ上から見ると見やすいよ!

が配ります。①のケースの黒い底板の真ん中に置いて下さい。
アルコールとガーゼの準備が出来たら、黒い底板の上に透明なふたをかぶせましょう。
③のボトルを強くにぎって、アルコールを飛ばしたりしないように注意しましょう!

ライトは透明なカバーの部分がスイッチになっています。カチッと言うまで押してみましょう。

３ ④の紙皿の上に、ドライアイスのかき氷を配ります。①のケースがちょう
ど乗るぐらいの大きさになるように、スプーンで真ん中に集めましょう。
ドライアイスは-70℃以下のとっても冷たい物なので、絶対に手でさわったり、スプーンで飛ばしたりしないように注意しましょう!

放射線が作る小さな飛行機雲、
見えたかな?!

大阪府立大学のつばさ基金制度を活用した放射線教育振興プロジェクト
全国の教育現場での放射線教育の実施（委託）

寄附金額の半額分程度を上限に貸与10万円の寄付で、5万円分の物品

放射線教育用の物品

寄付頂いてすぐに物品発注を行う必要はありません。
必要に応じて、年度繰り越
しも可能です。

教育者
ふるさと納税（寄付）

放射線教育振興プロジェクト：
1627200700 に寄付する旨連絡

大阪府

プロジェクトへの分配

大阪府立大学
放射線研究センター

13%は大学へ

自己負担2000円以外は翌年の税金控除で全額(*)帰ってきます

寄付者の地元
自治体
府大からも2000円分相当の
府大グッツが進呈されます

物品購入*所得により上限金額があり、独身で年収600万円の場合\77,000の寄付が可能です。

ペルチェ霧箱を貸与する場合は、客観的で透明な経理を実現するために、大阪ニュークリアサイエンス協会（ONSA）を通して、直接公費での会計処理を行います。
それ以外の物品は、公費対応でない通販業者などでも、立替払いで対応可能です。

「換金性の高い物品」の貸与は出来かねますので、ご容赦下さい

ペルチェ冷却霧箱の売上利益から、製作のための学生アルバイトを雇用して社会還元しています。

クルックス管安全取扱のガイドライン（暫定）・低電圧駆動の製品に買い換える

絶対安全なので何も考えなくても良い

経済的理由などで困難な場合は ↓ 以下の点に注意を払う必要がある

・誘導コイルの放電出力は電子線の観察が出来る範囲で最低に設定する・放電極を絶対に使用し、放電極距離は20mm以下とする。
・出来る限り距離を取る。生徒への距離は 1m以上とする。
教員が磁石で電子線を曲げるときは指し棒などを使用する。
・演示時間は10分程度に抑える