気体イオン化検出器

気体イオン化検出器は、粒子物理学においてイオン化粒子の存在を検出するために、また放射線防護の用途においてイオン化放射線を測定するために使用される放射線検出装置です。

これらは、ガス充填センサーに対する放射線のイオン化効果を利用します。粒子がガス原子または分子をイオン化するのに十分なエネルギーを持っている場合、結果として生じる電子とイオンが測定可能な電流の流れを引き起こします。

ガスイオン化検出器は、放射線の検出と測定に使用される重要な機器のグループを形成します。この記事では、主要なタイプの概要を簡単に説明します。より詳細な情報は、各機器の記事に記載されています。添付の​​グラフは、一定の入射放射線に対して印加電圧を変化させた場合のイオン対生成の変化を示しています。実用的な動作領域は主に 3 つあり、各タイプはそのうちの 1 つを使用します。

気体イオン化検出器の3つの基本的なタイプは、1)イオン化箱、2)比例計数管、3)ガイガー・ミュラー管である。

これらはすべて、空気または特殊な充填ガスで分離された2つの電極という同じ基本設計を備えていますが、収集されたイオン対の総数を測定するためにそれぞれ異なる方法を使用しています。^{[1]電極間の}電界の強度と充填ガスの種類と圧力によって、電離放射線に対する検出器の応答が決まります。

電離箱は、ガスの増殖が起こらないように選択された低い電界強度で動作します。イオン電流は、イオンと電子からなる「イオン対」の生成によって生成されます。イオンは陰極に流れ、自由電子は電界の影響下で陽極に流れます。デバイスが「電離箱領域」で動作している場合、この電流は印加電圧とは無関係です。電離箱は「デッドタイム」がないため、高放射線量率に適しています。デッドタイムは、高放射線量率でのガイガー・ミュラー管の精度に影響を与える現象です。

利点は、ガンマ放射線に対する良好な均一な応答と正確な全体線量読み取り、非常に高い放射線率の測定が可能、持続的な高放射線レベルによって充填ガスが劣化しないことです。

欠点は、1)出力が低いため複雑な電位計回路が必要、2)動作と精度が湿気の影響を受けやすい、である。^[3]

比例計数管は、離散的な雪崩が発生するように選択された、わずかに高い電圧で動作します。各イオン対は単一の雪崩を発生させ、放射によって蓄積されたエネルギーに比例する出力電流パルスが生成されます。これは「比例計数」領域にあります。^[2] 「ガス比例検出器」（GPD）という用語は、一般に放射測定の実践で使用され、粒子エネルギーを検出できる特性は、設置された人員監視装置など、アルファ粒子とベータ粒子の検出と識別に大面積のフラットアレイを使用する場合に特に役立ちます。

ワイヤチャンバーは、研究ツールとして使用される比例計数管の多電極形式です。

利点は、放射線のエネルギーを測定して分光情報を提供し、アルファ粒子とベータ粒子を区別し、大面積の検出器を構築できることである。

欠点としては、陽極線が繊細で、堆積によりガス流量検出器の効率が低下する可能性があること、充填ガスへの酸素の侵入により効率と動作が影響を受けること、大面積検出器では測定ウィンドウが簡単に損傷することです。

マイクロパターンガス検出器（MPGD）は、アノード電極とカソード電極間の距離が1ミリメートル未満の高粒度ガス検出器です。これらのマイクロエレクトロニクス構造が従来のワイヤチャンバーに比べて優れている主な点は、カウントレート機能、時間と位置の分解能、粒度、安定性、放射線耐性です。^[4] MPGDの例としては、マイクロストリップガスチャンバー、ガス電子増倍管、マイクロメガ検出器などがあります。

ガイガー・ミュラー管はガイガーカウンターの主要部品です。この管はさらに高い電圧で作動し、各イオン対が雪崩を起こすように選択されますが、紫外線光子の放出により、複数の雪崩が陽極線に沿って広がり、隣接するガス体積が 1 つのイオン対イベントからイオン化します。これが「ガイガー領域」の動作です。^[2]イオン化イベントによって生成された電流パルスは処理電子機器に渡され、カウント率または放射線量の視覚表示が得られます。また、通常、携帯型機器の場合は、クリック音を発するオーディオ装置も使用されます。

利点は、サイズや用途が幅広く、安価で堅牢な検出器であること、簡単なカウントのために最小限の電子処理を必要とする管から大きな出力信号が生成されること、エネルギー補償管を使用した場合に全体のガンマ線量を測定できることです。

欠点は、放射線のエネルギーを測定できない（分光情報がない）、デッドタイムの​​ために高放射線率を測定できない、高放射線レベルが持続すると充填ガスが劣化する、などです。

英国健康安全局は、関係するアプリケーションに適したポータブル機器に関するガイダンスノートを発行しています。^[5]これはすべての放射線機器技術を網羅しており、測定アプリケーションに適したガスイオン化検出器技術を選択するのに役立ちます。

イオン化型煙検知器は、広く使用されているガスイオン化検知器です。放射性アメリシウムの小さな発生源が、効果的にイオン化室を形成する 2 つのプレートの間に電流が流れるように配置され、イオン化が起こっているプレートの間に煙が入ると、イオン化されたガスが中和され、電流が減少します。電流が減少すると、火災警報が作動します。

• 放射線粒子の阻止力