放射線検出器の紹介

放射線を扱う、あるいは放射線の周辺で働く方々にとって、最も重要な要素の一つは、周囲の放射線レベルに対する状況認識です。これは主にさまざまなタイプの放射線検出器を使用することで達成できます。さまざまな種類の検出器とその仕組みの基礎を理解することは、必要な作業に最適な検出器を見つけ、その検出器を使用することで得られるメリットを最大限に活かす上で、大いに役に立ちます。

「ガイガーカウンター」に関する注意事項

放射線検出というと、多くの人が「ガイガーカウンター」とひとくくりにして考える傾向があります。これは人気のテレビ番組や映画によって引き起こされた大きな誤解です。実際、最も一般的な放射線検出器の一つは「ガイガーミューラー（GM）管」と呼ばれるものですが、「ガイガーカウンター」というキャッチフレーズは必ずしも適切ではありません。これは非常に特殊なタイプの検出器に採用され、一般的にはその検出器用の特定の用途に供されます。放射線検出装置は、通常、採用する検出素子のタイプか、アプリケーションによって分類されます。測定器は、電離箱、サーベイメーター、コンタミネーションメーター、またはフリスカープローブとも呼ばれます。大衆文化により「ガイガーカウンター」の適切な使用方法が完全に変わってしましました。このため、この用語を使用しても、通常、対象とするデバイスに関する十分な情報を入手することはできません。

最初の放射線検出器

レントゲンとベクレルによる放射線検査の初期の頃から、科学者は取り扱う物質から放出される放射線を測定し観察する方法を模索してきました。放射能から何らかのデータを取得する最も初期の手段の一つが写真乾板でした。写真乾板を放射性ビームまたは物質の経路/近傍に配置します。 写真乾板を現像すると、放射線に暴露した場所が斑点になるか曇ります。アンリ・ベクレルは、これに似た方法で1896年に放射線の存在を実証しました。

もう一つの初期の頃の一般的な検出器は、検電器でした。一対の金箔を使用し、放射線によるイオン化によって電荷が蓄積し互いに反発します。 これにより、写真乾版を使用した場合よりも確実に高い感度で放射線を測定する手段が得られました。 装置の配置によってアルファ粒子やベータ粒子を測定するように構成することができ、放射能を伴う初期の実験には貴重なツールとなりました。

放射性フィールドの全体的な測定とは対照的に、放射性物質から放出される個々の粒子や光線を測定したいという願望から生まれた興味深い初期の装置として、スピンタリスコープがありました。この装置は、ウィルヘルム・レントゲンがX線を発見するのに使ったクルックス管を発明したウィリアム・クルックスが開発したもので、管の先端に硫化亜鉛スクリーン、もう一方の端にレンズがあり、硫化亜鉛スクリーンの近くに少量の放射性物質が堆積するものでした。硫化亜鉛は放出されたアルファ粒子と反応しそのたびに小さく発光します。 これは、崩壊速度をカウントする最初の手段の一つでしたが、非常に面倒なものでした。科学者たちは交代で発光を見ながら、文字通りカウントする必要があったためです。スピンタリスコープは、放射線検出の長期的なソリューションとしてはあまり実用的ではありませんでしたが、しかし、20世紀後半になると教育用のツールとして復活しました。ある種の物質が放射線にさらされると発光するという性質は、将来の放射線検出技術においても有用であることが証明されます。

これらの初期の装置や霧箱などの他の多くな装置は、放射線の基本原理を理解し、その後の開発の舞台となる重要な実験を行う上で貴重なものでした。これには、GM管、電離箱、シンチレーターなど、現在も使用されている多くの新しいタイプの放射線検出器の開発も含まれます。

放射線検出器が必要となる場所/タイミング

どのタイプの検出器を使用するかを知る重要なポイントは、その検知器がどこでどのように使われるかを考えておくことです。各検出器には、その目的に適合するように特化できるさまざまな方法があるため、異なる用途と設定には、異なるタイプの検出器が必要になります。放射線検出器の用途は大きく分けて、測定、防護、捜索の3つに分類されます。

放射線測定タスクは、放射性物質が存在することが分かっており、それを監視する必要がある状況に適用されます。この種の検出の目的は、状況認識です確立された放射能場の強さ、放射能汚染地域の境界線、あるいは単に放射能汚染の広がりの状況を認識することです。放射線の存在が予想されるか、あるいは少なくともその可能性が高いと考えられる状況です。このような環境で使用される検出器の要件はユニークで、測定範囲が比較的広かったり、ある特定の放射線を特別に検出するために変更が必要だったりすることが多くあります。

放射線防護は、通常、放射線が検出されることが予想される環境であるという意味で、放射線測定用途と似ています。しかし、目的は異なります。 放射線測定の設定では、放射線自体をモニターし、変動や境界などを把握することが目的になります。放射線防護では、人を監視することが目的です。放射線の線量測定はその最も一般的な例であり、放射線バッジは医療従事者、原子力産業従事者をはじめ、世界中の職業的に曝露が発生する作業員の多くが着用しています。この重要性は、状況を認識することによって放射線被ばくの最も有害な影響から身を守ることができる点にあります。着用者は、自分がどれだけの放射線を浴びたか、そしてそれがどのように健康への影響につながるかを知ることができ、それに応じて行動や位置、スケジュールを変更することができます。

放射線の探知は、他の2つの基本的な放射線検出用途とは異なります。放射線の存在が対象領域で予測されていないという事実と、その状態を維持したいと希望することの両方を前提としているためです。放射線保安要員、緊急時対応者、税関・国境検査官などのグループの主な目的には、放射線捜索が実施される状況が大きく異なることを反映して、さまざまな要件があります。放射線源または放射性物質がより小さく隠蔽されているという懸念から、高感度の検出器が必要とされます。スペクトロスコピーもしばしば非常に役に立ちます。これは、懸念されるのは放射性同位元素のごく一部であり、医療行為や天然に存在する放射性物質の蓄積などの合理的な理由により存在するこれらの放射性同位元素を除外できることが重要なためです。

これら3つのカテゴリーと、その中に当てはまるタスクを把握することが、目的のタスクに最適なタイプの装置や検出器を決定するのに役立ちます。

検出器の種類

放射線検出器について説明すると、装置の特定のニーズに応じて、3つのタイプの検出器が最も一般的に使用されています。その3つはガス充填型検出器、シンチレーター、半導体検出器です。 それぞれに、さまざまな長所と短所があり、特定の用途が推奨されています。

ガス充填型

最初のタイプの放射線検出器であるガス充填型検出器は、最も一般的に使用されているものです。 ガス充填型検出器にはいくつかの種類があり、仕組みはそれぞれ異なりますがどれも同様の原理に基づいています。検出器内のガスが放射線に接触すると反応してガスがイオン化し、その結果生じる電荷がメーターで測定されます。

ガス充填型検出器には、電離箱、比例計数管、ガイガーミューラー（GM）管があります。これらの異なる検出器タイプの大きな差別化要因は、検出器全体に印加される電圧であり、これにより検出器が記録するイオン化イベントの応答のタイプが決まります。

電離箱

ガス充填型検出器の中で印加電圧が低いのは、電離箱（イオンチェンバー）です。 この検出器は低電圧で動作します。つまり反応室内で放射性光子との相互作用によって生じる「一次」イオン（実際には、正電荷を帯びたイオンと自由電子のペアが生成される）からの測定値のみを記録します。したがって、検出器が記録する測定値は、生成したイオンペアの数と正比例します。 これは、経時的な吸収線量の指標として特に有用です。 また、他の検出器タイプで発生することがあるデッドタイムに関する問題がないため、高エネルギーガンマ線の測定にも非常に有用です。

しかし、電離箱は異なる種類の放射線を識別できないため、スペクトロスコピーには使用することはできません。また、他の計測器ソリューションよりも高価になる傾向があります。 それにもかかわらず、サーベイメーターとして貴重な検出器です。 また、ラボでも校正用の参照基準を確立するために広く使用されています。

比例計数管

ガス充填型検出器で次に高い電圧を印可するのは、比例（またはガス比例）計数管です。通常、チャンバー内部の多くの領域で、電離箱と同様に放射線との相互作用によってイオン対が生成されるように設計されています。しかし、イオンが検出器の陽極に向かって「ドリフト」するのに十分な強い電圧が印加されます。イオンが検出器の陽極に近づくにつれて電圧は上昇し、「ガス増幅」効果が生じるポイントに到達します。

ガス増幅とは、放射線の光子との反応によって生成された元のイオンが、さらにイオン化反応を引き起こし、検出器全体で測定される出力パルスの強度がを倍増することを意味します。結果として生じるパルスは、元の生成したイオンペアの数と比例し、それは相互作用する放射性場のエネルギーに相関します。

比例計数管は、異なるエネルギーに対して異なる反応を示し、接触した異なる放射線の種類を識別できるため、一部のスペクトロスコピー用途に非常に有用です。また高感度かつアルファ線とベータ線の検出と識別における有効性と相まって、この種類の検出器は汚染スクリーニング検出器として非常に有用です。

GM管

ガス充填型検出器の最後の主要な種類は、「ガイガーカウンター」の名前の由来であるガイガーミューラー管です。 この種類の検出器は、はるかに高い電圧で動作し、各イオン化反応が単一粒子の相互作用であるか、より強い電界であるかにかかわらず、検出器の陽極の全長にわたってガス増幅効果を引き起こす点で、他の検出器の種類とは異なります。したがって、計数率や補正アルゴリズムを適用して線量率を測定するための、単純な計数装置としての機能しかありません。

各パルスの後、GM管は元の状態に「リセット」する必要があります。 これはクエンチングによって達成できます。つまり、各パルス後に検出器のアノード電圧を一時的に下げ、イオンが再び結合して不活性状態に戻るようにすることで電子的に達成できます。また、ハロゲンのようなクエンチングガスを用いて化学的に行うこともできます。クエンチングガスは、電離なだれによって生成された追加の光子を、それ自身がイオン化することなく吸収します。

GM管内の反応は放射線の各パルスで広範囲に及ぶため、照射率が高くなると「デッドタイム」と呼ばれる、パルスカスケードとガスが元の状態に戻り、次のパルスを検出できるようになるまでのタイムラグが生じることがあります。これは校正で対応することも、既存の測定データに基づいて追加パルスを「計算」する検出装置自体のアルゴリズムで対処することもできます。

シンチレーター

放射線検出器で使われる2番目の主要な種類の検出器は、シンチレーション検出器です。 シンチレーションとは光を放つ現象であり、放射線検出においては、ある物質が放射線に曝されると光を放つ能力が検出器として有用になります。放射線の各光子は、シンチレーター材料と相互作用すると、蛍光を発光します。つまり、シンチレーション検出器は高感度であるだけでなく、測定された放射性物質の特定のスペクトロスコピックなプロファイルを捉えることができます。

シンチレーション検出器は、シンチレーター材料と光電子増倍管（PM）管を接続して動作します。 PM管は、光電陰極材料を使用して、各光パルスを電子に変換し、その微弱信号を増幅して電圧パルスを生成し、それを読み取って解釈します。計測時間中にカウントされるこれらのパルス数は、測定される放射性線源の強さを示す一方で、各パルスで捕獲される光の光子数で示される放射線の特定のエネルギーに関する情報は、存在する放射性物質の種類に関する情報を提供してくれます。

シンチレーション検出器は、高い感度と放射性線源を「識別」する能力があるため、放射線セキュリティー用途に特に有用です。 このタイプの検出器には、放射性物質が容器に隠されていないか、遮蔽されていないかをチェックするための携帯型機器から、自然放射線や医療用放射線源と特殊核物質（SNM）のような緊急性の高い放射線源とを区別することができる、広い地域や集団をスクリーニングするためのモニターまで、さまざまな形態があります。

半導体型

放射線検出器で使用される最後の主要な検出器技術は、半導体検出器です。 通常、シリコンなどの半導体材料を使用して電離箱のように動作しますが、はるかに小規模で、極めて低い電圧で測定します。半導体材料は、電子流に対して高い抵抗性がありますが、絶縁体ほどではありません。半導体材料は「電荷キャリア」を含む原子の格子で構成されています。電荷キャリアとは他の原子に結合できる電子、または電子の「正孔」、あるいは電子が存在する/する可能性のある場所が空いている原子のことです。

シリコン半導体型検出器は、2層のシリコン半導体材料で構成されています。1つは電子の数が正孔より多い「n型」、もう1層は正孔の数が電子より多い「p型」です。n型から生成された電子は、2つの層の間の接合部を移動し、p型のホールを埋めることで空乏層と呼ばれるものが形成されます。

この空乏層は、電離箱の検出エリアのような役割を果たします。放射線は空乏層内の原子と相互作用して、原子を再イオン化させ、測定可能な電子パルスを発生させます。検出器と空乏層自体の規模が小さいため、イオン対を迅速に収集できます。つまり、このタイプの検出器を使用する装置の応答時間は非常に速くなります。小型であることも相まって、このタイプの半導体検出器は電子式線量計の用途に非常に有用です。また、GM管のような他のタイプの検出器よりも、耐用年数を通じてはるかに多くの放射線に耐えることができます。そのため特に強い放射線場が存在する場所で使用する機器としても有用です。