2019年 12月 6日 @ 東北大学
日本放射線安全管理学会 - 日本保健物理学会 合同大会
ポスターセッション P-64

観察面積を拡大した新型ペルチェ霧箱の開発〇秋吉 優史大阪府立大学・放射線研究センター

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

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、ス・α線の飛跡が見えた、だけに留まっていたトーブを使っていても確実に観察
本製品の特徴が可能です。
・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

SD型の本体ユニット
これまでに全国の大学、高校、中学、放射線関係の研究所、病院などに、累計 230台 以上を出荷しています。

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/CloudChamber.htm
ウェブサイト QRコード

Oak Ridge National
Labo. での RCT（放管員）への実演会。
2台を寄贈し教育に役立てています。

次世代型の観察面積拡大版ペルチェ霧箱 EX型
従来型のペルチェ霧箱の欠点
・観察面積が小さく、α線の最大飛程が分かりづらかった・チャンバーが小さく大人数での観察が大変
・自然放射線の観察頻度が少なく分かりにくい
これまで使用していたペルチェ素子は・LED の配線などが煩雑
40mm×40mm で、より大型の 60×

観察面を大型化した EX型

60mm の素子も市販されているが、背面冷却用の高性能クーラーは CPUサイズ対応のものしか市販されていないため実装できなかった。

・大型のCPUクーラーを使用する事で冷却能力に余裕を持たせ、塗装済のアルミ板を使用して観察面積を拡大
・大容量のチャンバーによるアルコール蒸気供給量の増大
・側面照射 LED を使用した過飽和層への確実な照明
・ベースユニットに LED をマウントしているため配線不要
・円形の大型チャンバーにより大人数での同時観察が可能

旧型、SD型、EX型の比較

新型の SD型 システム
従来型と同じ素子面積のSD型も、サイドフロー方式のCPUクーラーを採用し、リテンションがより確実となった
ため最低温度が-50℃にも達しています。最新の2期型
は、デュアルファンクーラー使用により、さらに高性能となっています。

新型の EX型、SD型、旧型の大きさの比較

観察面積の拡大と、アルコール蒸気供給量増大に伴う感度の向上により、自然放射線も十分な頻度で観察することが可能となりました。
動画をご覧下さい観察面積を従来と同じSD型の4cm角から 6cm角にまで拡大した、ペルチェ霧箱-EX型 を開発しました。
大型円筒形チャンバーとベースユニットに配置した側面照射 LED の使用によって大勢での観察を可能としました。
従来型やSD型よりも圧倒的に高性能な、次世代型上位機種となります。

放射線の種類による相互作用の違い

40mm

40mm

60mm

α線による力強く直線的な飛跡

60mm

β線及び、γ線からの光電子/コンプトン電子のうっすらして曲がりくねった飛跡

SD型はチャンバーが小さいため、チャンバーを開けて線源を入れ替えても10秒程度で再び観察可能となります。掃除機で空気中の埃をガーゼに捕集し、ラドン娘核種からのα線の観察を行う事も容易に可能です。
種類の異なる放射線の飛跡を観察して比較することにより、相互作用の違いを理解することが出来る、放射線の「標本箱」として御使用頂けます。

クルックス管からの20keV程度の低エネルギーX線による、飛跡が数mm程度の光電子EX型はチャンバーを開けると復帰に1分程度を要しますが、チャンバーの上に線源を載せてのβ線の観察と、5mm程度のアルミ板を入れてγ線のみを入射した際の比較などがSD型よりも観察しやすくなります。
遮蔽体を透過するγ線の観察は、外部被ばくの理解に繋がります。

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。

教育現場への霧箱の普及率
2019年11月に行った大阪府立大学の1回生向け授業でのアンケート。
工学だけでなく、看護や獣医などの学生がまんべんなく受講。回答数 90。
あなたは今までにクルックス管の実演を見たことがありますか?

あなたは今までに霧箱を見たことがありますか?

中学
高校
中学+高校
その他
なし

中学
高校
その他
ない

中学
高校
その他
ない

1
3
779

中学
高校
中学+高校
その他
なし

16
17
3
252

放射線教育を行う上で最もポピュラーで王道と思っていた霧箱であるが、実際の普及率は極めて低い。ドライアイス不要で、教員の負担無く実施できるペルチェ霧箱による放射線教育の普及に向けて、今後更なる PR を行っていく。

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?!