ガイガー・ミュラー管

ガイガー・ミュラー管またはG-M管は、電離放射線の検出に使用されるガイガーカウンター装置の感知素子である。この管は、1908年に原理を発明したハンス・ガイガー^[1]と、1928年にガイガーと協力してこの技術をさらに開発し、さまざまな種類の放射線を検出できる実用的な管を製造したヴァルター・ミュラーにちなんで名付けられた。[ ^{2] [3]}

これはガスイオン化検出器であり、タウンゼント雪崩現象を利用して、放射線粒子による単一のイオン化イベントからでも簡単に検出できる電子パルスを生成します。ガンマ線、X 線、アルファ粒子、ベータ粒子の検出に使用されます。また、中性子の検出にも使用できます。この管は、イオン対生成の「ガイガー」領域で動作します。これは、ガス検出器の付属のグラフに示されており、印加電圧に対するイオン電流を示しています。

G-M は堅牢で安価な検出器ですが、高放射線率を効率的に測定できず、高放射線領域での寿命が限られており、入射放射線エネルギーを測定できないため、スペクトル情報を生成することができず、アルファ粒子とベータ粒子などの放射線の種類を区別できません。

GM 管は、約 0.1気圧の低圧のガス混合物で満たされたチャンバーで構成されています。チャンバーには 2 つの電極があり、その間には数百ボルトの電位差があります。管の壁は金属製か、内面が導電性材料またはらせん状のワイヤでコーティングされてカソードを形成し、陽極はチャンバーの中央に軸方向に取り付けられた ワイヤです。

電離放射線がチューブに当たると、充填ガスの一部の分子が入射放射線によって直接イオン化され、チューブの陰極がステンレス鋼などの導電体である場合は、チューブの壁で生成された二次電子によって間接的にイオン化され、ガスに移動する。これにより、ガス中に正に帯電したイオンと自由電子（イオン対と呼ばれる）が発生する。チューブの電極間の電圧によって生成された強力な電界により、正イオンは陰極に向かって加速され、電子は陽極に向かって加速される。陽極に近づくにつれて電界の強さが半径距離に反比例して増加する「雪崩領域」の陽極近くでは、自由電子が十分なエネルギーを得て衝突により追加のガス分子をイオン化し、多数の電子雪崩を発生させる。これらは陽極に沿って広がり、雪崩領域全体に効果的に広がる。これが「ガス増幅」効果であり、この効果によって、1 回の元の電離イベントから大きな出力パルスを生成できるというチューブの重要な特性がもたらされる。^[5]

最初の電離イベントごとに雪崩が 1 つだけであれば、励起分子の数は 10 ⁶～ 10 ⁸のオーダーになります。しかし、複数の雪崩が発生すると、増倍係数が増加し、10 ⁹～ 10 ^{10 の}イオン対が発生する可能性があります。^[5] 複数の雪崩が発生するのは、最初の雪崩で発生した UV 光子が電界の影響を受けず、陽極の軸に対して横方向に移動し、ガス分子との衝突によってさらに電離イベントを誘発するためです。これらの衝突によってさらに雪崩が発生し、今度はさらに多くの光子が生成され、それによって連鎖反応でさらに多くの雪崩が発生し、それが充填ガスを横方向に広がり、陽極ワイヤを包み込みます。添付の​​図はこれをグラフィカルに示しています。雪崩の伝播速度は通常 1 マイクロ秒あたり 2 ～ 4 cm であるため、一般的なサイズのチューブでは、陽極周辺のガスが完全にイオン化されるのに数マイクロ秒しかかかりません。^[5] この短く強力な電流パルスは、外部の電気抵抗器に発生する電圧パルスの形でカウント イベントとして測定できます。これはボルトのオーダーになる可能性があり、これにより、その後の電子処理が簡単になります。

放電は、雪崩によって生成された陽イオンの集合効果によって終了します。これらのイオンは、質量が大きいため自由電子よりも移動度が低く、陽極線の近くからゆっくりと移動します。これにより、「空間電荷」が生成され、継続的な雪崩生成に必要な電界に対抗します。特定の管の形状と動作電圧では、この終了は常に一定数の雪崩が生成されたときに発生するため、管からのパルスは、開始粒子のエネルギーに関係なく常に同じ大きさになります。その結果、パルスには放射エネルギー情報がありません^[5]。つまり、ガイガー・ミュラー管を使用して入射放射に関するスペクトル情報を生成することはできません。実際には、雪崩の終了は「クエンチング」技術の使用によって改善されます (後述)。

充填ガスの圧力は雪崩の発生に重要です。圧力が低すぎると、入射放射線との相互作用の効率が低下します。圧力が高すぎると、加速された電子と充填ガスの衝突の「平均自由行程」が小さくなりすぎて、電子は各衝突の間にガスのイオン化を引き起こすのに十分なエネルギーを集めることができません。電子が得るエネルギーは、比率「e/p」に比例します。ここで、「e」はガス内のその点の電界強度、「p」はガス圧力です。^[5]

大まかに言えば、ガイガー管の構造には 2 つの重要なタイプがあります。

アルファ粒子、低エネルギーベータ粒子、低エネルギーX線の場合、通常は円筒形の端窓付きチューブが使われます。このタイプは、一端に窓があり、透過率の低い放射線が簡単に通過できる薄い素材で覆われています。雲母は単位面積あたりの質量が小さいため、よく使用される素材です。もう一端には陽極への電気接続部があります。

パンケーキ チューブはエンド ウィンドウ チューブの変形ですが、ベータ線およびガンマ線汚染の監視用に設計されています。エンド ウィンドウ タイプとほぼ同じ粒子感度を持ちますが、平らな環状形状であるため、最小限のガス空間で最大のウィンドウ領域を利用できます。円筒形のエンド ウィンドウ チューブと同様に、単位面積あたりの質量が小さいため、マイカは一般的に使用されるウィンドウ材料です。アノードは通常、同心円状に多重配線されているため、ガス空間全体に完全に広がります。

この一般的なタイプは専用のエンドウィンドウタイプとは異なりますが、カウントを取得するために異なる放射線相互作用メカニズムを使用する 2 つの主要なサブタイプがあります。

約 25 KeV 以上のエネルギーのガンマ線検出に使用されるこのタイプは、通常、クロム鋼 で約 1 ～ 2 mmの壁厚です。ほとんどの高エネルギー ガンマ光子は相互作用することなく低密度の充填ガスを通過するため、管は壁材料の分子と光子の相互作用を利用して壁内に高エネルギーの二次電子を生成します。これらの電子の一部は、管の内壁に十分近い場所で生成され、充填ガスに逃げます。これが起こるとすぐに、電子は陽極に流れ、自由電子がガス内に生成されたかのように電子雪崩が発生します。^[5]雪崩は、管壁内で電子が生成され、管壁の内面に移動して充填ガスに入るというプロセスの二次効果です。この効果は、約 20 KeV 未満の低エネルギーでは大幅に減衰します^[4]

薄壁チューブは次のような用途に使用されます。

• 高エネルギーベータ検出では、ベータ線がチューブの側面から入り、ガスと直接相互作用しますが、放射線はチューブの壁を貫通するのに十分なエネルギーを持っている必要があります。端の窓を貫通する低エネルギーベータ線は、チューブの壁によって阻止されます。
• 低エネルギーガンマ線および X 線検出。低エネルギー光子は充填ガスとよりよく相互作用するため、この設計では、長くて薄い壁のチューブを使用して充填ガスの量を増やすことに集中し、チューブ壁での光子の相互作用は使用しません。薄壁設計から厚壁設計への移行は、300～400 keV のエネルギーレベルで発生します。これらのレベルを超えると厚壁設計が使用され、これらのレベル以下では直接ガスイオン化効果が優勢になります。

G-M管は中性子を検出しない。中性子はガスをイオン化しないからである。しかし、中性子に敏感な管は、管の内側をホウ素でコーティングするか、充填ガスとして三フッ化ホウ素またはヘリウム3を入れるか、約0.5 mm ( 1 ⁄ 50 インチ) の厚さのカドミウム箔で包むことで製造できる。^[6]中性子はホウ素原子核と相互作用してアルファ粒子を生成するか、直接ヘリウム3原子核と相互作用して水素イオンとトリチウムイオンおよび電子を生成するか、カドミウムと相互作用してガンマ線を生成する。これらの高エネルギー粒子は相互作用してイオンを生成し、それが通常の雪崩過程を引き起こす。

ガス混合物の成分は、GM 管の動作と応用に不可欠です。混合物は、入射放射線によってイオン化されるヘリウム、アルゴン、ネオンなどの不活性ガスと、電子雪崩を消火して不要なパルスを防ぐ 5～10% の有機蒸気またはハロゲンガスの「消火」ガスで構成されています。^{[5]このガスの組み合わせは}ペニング混合物として知られ、ペニングのイオン化効果を利用しています。

現代のハロゲン充填G-M管は1947年にシドニー・H・リープソンによって発明され、有機混合物を使用した古い管に比べていくつかの利点があります。 ^[7]ハロゲン管の放電は、不活性ガス原子の準安定状態を利用して、有機蒸気よりもハロゲン分子をより容易にイオン化することで、管をはるかに低い電圧、通常は900～1200ボルトではなく400～600ボルトで動作させることができます。ハロゲンで急冷した管は、有機で急冷した管に比べてプラトー電圧の傾斜が大きい（望ましくない性質）ものの、有機化合物で急冷した管よりもはるかに長い寿命を持っています。これは、有機蒸気が放電プロセスによって徐々に破壊されるためであり、有機で急冷した管の耐用年数は約10 ⁹イベントです。しかし、ハロゲンイオンは時間の経過とともに再結合するため、ほとんどの用途ではハロゲン消光管の寿命は事実上無制限である。ただし、他のイオン化開始プロセスにより、最終的には故障し、ガイガー管の寿命は制限される。これらの理由から、現在ではハロゲン消光管が最も一般的である。^[5]

ネオンは最も一般的な充填ガスです。塩素は最も一般的な消光剤ですが、臭素も時々使用されます。ハロゲンはネオン、アルゴン、クリプトンと一緒に使用されるのが最も一般的で、有機消光剤はヘリウムと一緒に使用されます。^[8]

比例検出器で主に使用されるガス混合物の例としては、P10 (アルゴン 90%、メタン 10%) があります。臭素急冷管で使用される別のガス混合物は、通常、アルゴン 0.1%、臭素 1～2%、残りがネオンです。

ハロゲン消光剤は化学的に非常に反応性が高く、特に高温では電極材料を攻撃し、時間の経過とともに管の性能を低下させます。陰極材料は、例えばクロム、白金、ニッケル銅合金から選択できます。^[9]またはコロイド状グラファイトでコーティングし、適切に不動態化します。酸素プラズマ処理により、ステンレス鋼に不動態化層を提供できます。白金またはタングステン層またはタングステン箔ライナーによる高密度非多孔性コーティングは、ここで保護を提供します。^[10]

純粋な希ガスは、原子量が増加するにつれて閾値電圧が増加します。多原子有機消光剤を追加すると、分子振動で衝突エネルギーの大部分が消散するため、閾値電圧が増加します。アルコール蒸気を含むアルゴンは、初期の管の最も一般的な充填剤の 1 つでした。不純物 (ネオン中のアルゴン、水銀、クリプトン) が 1 ppm 程度でも、閾値電圧が大幅に低下する可能性があります。塩素または臭素を混ぜると、低電圧のネオン - アルゴン混合物に消光と安定性がもたらされ、温度範囲が広くなります。動作電圧が低いと、パルスの立ち上がり時間が長くなりますが、デッドタイムは大きく変わりません。

スプリアス パルスは、主に陽イオンの衝撃により陰極から放出される二次電子によって発生します。結果として生じるスプリアス パルスは、緩和振動子の性質を持ち、管内の充填ガスと過電圧に応じて均一な間隔を示します。過電圧が十分に高くても、連続コロナ放電の開始点を下回ると、数千のパルスのシーケンスが生成される可能性があります。このようなスプリアス カウントは、陰極をより高い仕事関数の材料でコーティングしたり、化学パッシベーションやラッカー コーティングなどを行う ことで抑制できます。

有機消光剤は、より小さな分子（エチルアルコールおよび酢酸エチル）に分解するか、または固体堆積物（メタンに典型的）に重合する。有機分子の分解生成物は、消光特性を有する場合と有さない場合がある。大きな分子は、より小さな分子よりも多くの消光生成物に分解する。アミルアセテートで消光したチューブは、エタノールのものより10倍長寿命となる傾向がある。炭化水素で消光したチューブは、ガス自体が枯渇する前に、重合生成物で電極がコーティングされるため、しばしば故障する。単純なガス補充では役に立たず、電極を洗浄して堆積物を除去する必要がある。低い電離効率が意図的に求められることもあり、一部の宇宙線実験では、高電離ミューオンおよび電子を検出するために、低圧水素またはヘリウムと有機消光剤の混合物が使用される。

アルゴン、クリプトン、キセノンは軟X線を検出するために使用され、原子質量が減少するにつれて光電効果による直接イオン化により低エネルギー光子の吸収が増加する。60～70 keVを超えると充填ガスの直接イオン化は重要ではなくなり、ガンマ光子と陰極材料の相互作用による二次光電子、コンプトン電子、または電子陽電子対生成が、イオン化開始の主なメカニズムとなる。サンプルを直接チューブ内に入れるか、ガスの場合は充填ガスと混合することで、チューブの窓をなくすことができる。大気圧のガスを連続的に流すことで、真空気密性要件をなくすことができる。^[11]

ガイガープラトーは、 GM 管が正しいモードで動作する電圧範囲であり、陽極の長さに沿ってイオン化が発生します。G-M 管が安定した放射線源にさらされ、印加電圧がゼロから増加すると、勾配が平坦になる「ガイガー領域」に示される電流のプロットに従います。これがガイガープラトーです。^[5]

これは、添付のガイガープラトー曲線図に詳細に示されています。管電圧をゼロから徐々に増加させると、最もエネルギーの高い放射線が電子装置で検出できるパルスを生成し始めるまで、検出効率が上昇します。これが「開始電圧」です。さらに電圧を上げると、カウントが急速に上昇し、「膝」またはプラトーのしきい値に達し、カウントの増加率が落ちます。これは、検出された放射線カウントごとに陽極に沿って完全な放電を可能にするのに十分な管電圧があり、異なる放射線エネルギーの影響が等しい場合です。ただし、プラトーは、主に管の形状により陽極の端で電界が低くなるため、わずかに傾斜しています。管電圧が増加すると、これらの電界が強くなり、雪崩が発生します。プラトーの終わりで、カウント率は再び急速に増加し始め、連続放電が始まり、管が放射線を検出できなくなり、損傷する可能性があります。^[5]

特定の管の特性（メーカー、サイズ、ガスの種類など）に応じて、プラトーの電圧範囲は異なります。傾斜は通常、100 Vあたりのカウントの変化率として表されます。管電圧の変動による全体的な効率の変化を防ぐために、調整された電圧供給が使用され、電圧変動の影響を減らすためにプラトーの中央で動作するのが通常の方法です。^{[5] [12]}

理想的な G-M 管は、放射線による電離イベントごとに 1 つのパルスを生成する必要があります。スプリアス パルスは生成せず、次の放射線イベントに備えてパッシブ状態にすばやく回復する必要があります。ただし、アルゴンの正イオンがカソードに到達し、電子を獲得して中性原子になると、原子のエネルギー レベルが上昇する可能性があります。その後、これらの原子は光子を放出して基底状態に戻り、さらに電離が発生し、スプリアスな二次放電が発生します。これを防ぐ対策を講じなければ、電離は長引いて、さらに拡大する可能性もあります。アバランシェが長引くと、新しいイベントを検出できない「デッド タイム」が長くなり、連続して管を損傷する可能性があります。したがって、デッド タイムを短縮して管を保護するには、何らかの形で電離をクエンチすることが不可欠であり、いくつかのクエンチング手法が使用されています。

自己消火管または内部消火管は、もともとはブタンやエタノールなどの多原子有機蒸気を少量添加することによって外部からの援助なしに放電を停止しますが、現代の管では臭素や塩素などのハロゲンが使用されています。^[5]

質の悪いガス消光剤が管内に導入されると、正のアルゴンイオンは陰極に向かって移動する間に消光剤ガス分子と何度も衝突し、電荷とエネルギーの一部を消光剤ガス分子に移します。こうして中性アルゴン原子が生成され、消光剤ガスイオンは今度は陰極に到達してそこから電子を獲得し、励起状態に移行して光子放出によって減衰し、管放電を引き起こします。しかし、効果的な消光剤分子は励起されると光子放出ではなく中性消光剤分子への解離によってエネルギーを失います。したがって、不要なパルスは生成されません。^[5]

化学的消光を行った場合でも、放電パルス後の短時間は管が無感度になり、一時的に新しい電離粒子の到着を検出できなくなる（いわゆるデッドタイム、通常 50～100 マイクロ秒）。これにより、十分に高いカウント レートでカウントが失われ、外部消光を行った場合でも、GM 管の有効（正確な）カウント レートは 1 秒あたり約 10 ³カウントに制限されます。GM 管は、実際に飽和する前により高いカウント レートを読み取ることは技術的に可能ですが、不確実性のレベルと飽和のリスクを考えると、カウント レートから等価放射線量率を計算しようとするときに、より高いカウント レートの読み取り値に頼るのは非常に危険です。この結果、通常、より高いカウント レートには電離箱式計測器が好まれますが、最新の外部消光技術を使用すると、この上限を大幅に拡大できます。^[5]

外部クエンチングは「アクティブクエンチング」または「電子クエンチング」とも呼ばれ、単純な高速制御電子機器を使用して、各放電ピークの後に一定時間、電極間の高電圧を急速に除去して再印加し、最大カウントレートと管の寿命を延ばします。これはクエンチガスの代わりに使用できますが、クエンチガスと組み合わせて使用​​されることがはるかに一般的です。^[5]

「最初のカウントまでの時間法」は、統計的信号処理技術とはるかに複雑な制御電子機器の使用により、最大カウント率を大幅に向上できる、外部クエンチングの洗練された現代的な実装です。外部クエンチングの単純な実装によってもたらされるカウント率の不確実性により、ガイガー管のカウント率は、約 10 ³カウント/秒を超えると非常に信頼性が低くなります。最初のカウントまでの時間法では、10 ⁵カウント/秒の有効カウント率が達成可能であり、これは通常の有効限界よりも 2 桁大きいです。最初のカウントまでの時間法は、従来の外部クエンチング方法よりも実装がはるかに複雑であるため、広く使用されていません。^[5]

デッドタイム効果の 1 つの結果として、回復時間が経過する前に、高いカウント レートが継続的に管をトリガーする可能性があります。これにより、計数電子機器が検出できないほど小さいパルスが生成され、非常に高い放射線場にある G-M カウンタが誤って低いレベルを示すという非常に望ましくない状況につながる可能性があります。この現象は「フォールドバック」として知られています。業界の経験則では、これを防ぐために、管からの出力を受信する弁別回路は、通常のパルスの 1/10 の大きさまで検出する必要があります。^[4]さらに、回路は「パルス パイルアップ」が発生したときに検出する必要があります。これは、高いパルス カウントとノイズの組み合わせによって見かけの陽極電圧が新しい DC レベルに移動した状態です。ガイガー ミュラー カウンタの電子設計では、この状況を検出してアラームを発することができなければなりません。これは通常、過剰な管電流のしきい値を設定することによって行われます。

G-M 管の検出効率は、入射する放射線の種類によって異なります。端の窓が薄い管は、高エネルギーのベータ線に対して非常に高い効率 (ほぼ 100%) を示しますが、ベータ線のエネルギーが減少すると、窓の材質による減衰により効率は低下します。アルファ粒子も窓によって減衰します。アルファ粒子の空気中での最大範囲は 50 mm 未満であるため、検出窓は放射線源にできるだけ近づける必要があります。窓の減衰は空気の減衰に追加されるため、許容できるレベルの検出効率を得るには、窓の密度を 1.5 ～ 2.0 mg/cm ^{2と低くする必要があります。}阻止能に関する記事では、さまざまなエネルギーの粒子の種類の範囲についてさらに詳しく説明しています。光子放射線 (25 keV を超えるガンマ線および X 線) の計数効率は、管壁での放射線相互作用の効率に依存し、壁の材質の原子番号とともに増加します。クロム鉄は一般的に使用されている材料であり、広範囲のエネルギーにわたって約1％の効率が得られます。^[4]

G-M 管をガンマ線または X 線線量測定に使用する場合、電離効果に影響を与える入射放射線のエネルギーを考慮する必要があります。ただし、G-M 管からのパルスはエネルギー情報を伝達せず、各カウント イベントに等しい線量を帰属させます。その結果、異なるエネルギー レベルの光子に対する「裸の」G-M 管のカウント レート応答は、低エネルギーでのオーバー リーディングの影響により非線形になります。線量応答の変動は、個々の管の構造に応じて 5 ～ 15 倍になる可能性があり、非常に小さい管では値が最大になります。

これを修正するために、「エネルギー補正」と呼ばれる技術が適用されます。これは、チューブの周囲に吸収材のシールドを追加することです。このフィルターは低エネルギーの光子を優先的に吸収し、線量応答は「平坦化」されます。目的は、チューブの感度/エネルギー特性をフィルターの吸収/エネルギー特性と一致させることです。これは正確に達成することはできませんが、結果として、チューブの検出エネルギーの指定された範囲にわたってより均一な応答が得られます。^[5]

鉛とスズは一般的に使用される材料であり、管の長さに沿って連続したカラーを使用することで、 150 keV を超える範囲で効果的な単純なフィルターを作成できます。ただし、エネルギーレベルが低いと減衰が大きくなりすぎる可能性があるため、カラーに空気ギャップを残して、低エネルギー放射線の効果を高めます。実際には、補正フィルターの設計は、許容できる均一な応答を生成するための経験的な妥協であり、必要な補正を得るためにさまざまな材料と形状が使用されます。^[4]

• 線量計
• ガイガーカウンター
• ガスイオン化検出器
• 電離箱
• 放射線粒子の阻止力

特許

• 米国特許 1,995,018、HJ Spanner、「ガス充填チューブ」
• 米国特許 2,257,827、GJ Weissenberg、「電子放電管」
• 米国特許 2,521,315、JA Victoreen、「ガイガー管」
• 米国特許 2,542,440、JA Victoreen、「ガイガー管」

他の

• ガイガーカウンターの歴史
• IAEA 実用放射線技術マニュアル