電離箱

電離箱は最も単純なタイプのガス電離検出器であり、 X線、ガンマ線、アルファ粒子、ベータ粒子など、多くの種類の電離放射線の検出と測定に広く使用されています。従来、「電離箱」という用語は、電場を印加することでガス内で直接電離して生成されたすべての電荷を収集する検出器のみを指します。 ^{[1]電離箱は、入射放射線とガスの間の各相互作用によって生成された個別の電荷を使用して、小さな}直流の形で出力を生成します。つまり、個々の電離イベントを測定することはできないため、異なるタイプの放射線のエネルギーを区別することはできませんが、全体的な電離効果を非常に正確に測定できます。

広範囲のエネルギーにわたる放射線に対して均一な応答を示し、劣化することなく長期間の高放射線場に耐えることができるため、放射線ホットセルなどで高レベルのガンマ放射線を測定するための好ましい手段です。原子力産業、研究室、火災検知、放射線防護、環境モニタリングで広く使用されています。

ガスイオン化室は、入射放射線によってガス内に生成されたイオン対の数から電荷を測定します。ガスが満たされた室と、陽極と陰極と呼ばれる2 つの電極で構成されています。電極は平行板 (平行板イオン化室: PPIC) の形、または同軸に配置された内部陽極ワイヤを備えた円筒形です。

電極間に電圧を印加して充填ガス内に電界を発生させる。電極間のガス原子または分子が入射電離放射線によってイオン化されるとイオン対が生成され、結果として生じた正イオンと解離電子は電界の影響下で反対極性の電極に移動する。これによりイオン化電流が発生し、この電流は電位計回路によってフェムトアンペアからピコアンペアの範囲で測定され、チャンバーの設計に応じて放射線量に比例する。^[1]

電界はイオン対の再結合を防ぐために十分に強くなければならず、イオン電流を減少させる。また、陽イオンが陰極に到達したときに電子と再結合することで陽イオンの蓄積を防ぐ。この動作モードは「電流」モードと呼ばれ、出力信号はガイガー・ミュラー管や比例計数管の場合のようなパルス出力ではなく、連続電流であることを意味する。^[1]

添付のイオン対収集グラフを参照すると、イオン室の動作領域では、収集されたイオン対の電荷は印加電圧の範囲にわたって実質的に一定であることがわかります。これは、比較的低い電界強度のため、イオン室には増幅効果がないからです。これは、二次電子、そして最終的には複数の雪崩が元のイオン化電荷を大幅に増幅して測定可能なパルスを生成するガイガー・ミュラー管や比例計数管とは対照的です。^[1]

一般的に使用されるチャンバータイプは次のとおりです。

これは、大気に自由に開放されたチャンバーで、充填ガスは周囲の空気です。家庭用の煙探知器は、この良い例です。このチャンバーでは、イオン電流の変化によって煙の粒子を検出できるように、チャンバーを通る自然な空気の流れが必要です。他の例としては、イオンがチャンバーの外で生成されるが、空気またはガスの強制的な流れによって運ばれるアプリケーションがあります。

これらのチャンバーは通常円筒形で大気圧で作動しますが、湿気の侵入を防ぐために、通気管に乾燥剤入りのフィルターが設置されています。 ^[2]これは、大気圧の変化による「ポンプ」効果によってチャンバー内部に湿気が溜まるのを防ぐためです。これらのチャンバーは、厚さ数ミリのアルミニウムまたはプラスチック製の円筒形の本体を備えています。この材料は、空気と原子番号が近いものが選択され、壁は放射線ビームのエネルギーの範囲にわたって「空気と同等」であると言われています。^{[1] [3] [4]}これにより、チャンバー内のガスが無限大のガス体積の一部であるかのように動作し、ガンマ線と壁の材料との相互作用を減らすことで精度が向上します。壁の材料の原子番号が高いほど、相互作用の可能性が高くなります。壁の厚さは、厚い壁で空気効果を維持することと、薄い壁を使用して感度を高めることのトレードオフです。これらのチャンバーには、ベータ粒子がガス容積に入ることができるように、マイラーなどの十分に薄い材料で作られた端窓が付いていることがよくあります。ガンマ線は端窓と側壁の両方から入ります。手持ち式計測器の場合、ベータウィンドウの応答は明らかに非常に方向性がありますが、光子の方向性を減らすために壁の厚さは可能な限り均一に作られています。通気チャンバーは空気圧による効率の小さな変化の影響を受けやすく^[2]、非常に正確な測定アプリケーションのために補正係数を適用できます。

これらは構造上は通気室に似ていますが、密閉されており、大気圧または大気圧付近で作動します。これらの室には、通気口や乾燥剤を必要としないという利点もあります。検出効率を高めるために、空気中の高電気陰性酸素は自由電子を容易に捕獲し、陰イオンを形成するため、これらの室には希ガスが充填されています。ベータウィンドウの強度により、許容できる大気圧との差圧が制限され、一般的な材料はステンレス鋼またはチタンで、通常の厚さは 25 μm です。^[5]

高圧ガスを使用することで、チャンバーの効率をさらに高めることができます。通常、8～10気圧の圧力が使用でき、さまざまな希ガスが使用されています。圧力が高いほどガス密度が高くなり、充填ガスとの衝突や入射放射線によるイオン対生成の可能性が高くなります。この高圧に耐えるために必要な壁の厚さが増すため、ガンマ線のみを検出できます。これらの検出器は、サーベイメーターや環境モニタリングに使用されます。^[2]

放射線治療の測定に最も一般的に使用されるのは、円筒形または「指ぬき」チャンバーです。アクティブボリュームは、内部の導電性表面 (カソード) と中央のアノードを備えた指ぬき形の空洞内に収容されています。空洞全体に適用されるバイアス電圧によってイオンが収集され、電位計で測定できる電流が生成されます。

平行板式電離箱 (PPIC) は小さな円盤のような形をしており、円形の収集電極が通常 2 mm 以下の小さな隙間で分離されています。上部の円盤は非常に薄いため、円筒形の電離箱よりもはるかに正確な表面近くの線量測定が可能です。モニター チャンバーは通常 PPIC であり、放射線ビームの強度などを継続的に測定するために使用されます。たとえば、放射線治療に使用される直線加速器のヘッド内などです。マルチキャビティ電離箱は、複数の異なる領域で放射線ビームの強度を測定し、ビームの対称性と平坦性に関する情報を提供します。

電離箱の初期バージョンは、マリーとピエール・キュリーが放射性物質を分離する最初の研究で使用されました。それ以来、電離箱は研究や較正の目的で研究室で広く使用されるツールとなっています。

コンデンサーチャンバーには、コンデンサーとして機能するステム内に二次空洞があります。このコンデンサーが完全に充電されると、シンブル内のイオン化がこの電荷を打ち消し、電荷の変化を測定できます。これらは、2 MeV 以下のエネルギーのビームに対してのみ実用的であり、ステムの漏れが大きいため、正確な線量測定には適していません。

平行プレート チャンバーと設計が似ていますが、外挿チャンバーの上部プレートはマイクロメーター ネジを使用して下げることができます。さまざまなプレート間隔で測定を行い、プレート間隔がゼロ、つまりチャンバーなしの線量に外挿することができます。

イオンチャンバーは、ベータ線とガンマ線を測定するための携帯型放射線サーベイメーターで広く使用されています。イオンチャンバーは特に高線量率測定に適しており、ガンマ線の場合、50～100 keVを超えるエネルギーに対して優れた精度を発揮します。^[1]

基本的な構成には 2 つあります。1 つは、チャンバーと電子機器が同じケースに収められた「一体型」ユニット、もう 1 つは、フレキシブル ケーブルによって電子機器モジュールに接続された別個のイオン チャンバー プローブを備えた「2 ピース」機器です。

一体型機器のチャンバーは、通常、ケースの前面に下向きに配置されており、ベータ/ガンマ機器の場合は、ケースの底に窓があります。この窓には通常、ガンマ線とベータ線の区別を可能にするスライド式シールドが付いています。オペレーターはシールドを閉じてベータ線を除外し、各放射線タイプの率を計算できます。

一部のハンドヘルド機器は、放射線調査や汚染チェックで音声フィードバックを使用するオペレーターを支援するために、GM カウンターによって生成されるのと同様の可聴クリック音を生成します。イオン チャンバーはパルス モードではなく電流モードで動作するため、これは放射線率から合成されます。

工業プロセスの測定や、高レベルの放射線が持続するインターロックには、イオンチャンバーが検出器として適しています。これらのアプリケーションでは、チャンバーのみが測定エリアに配置され、電子機器は放射線から保護するために離れた場所に配置され、ケーブルで接続されています。設置された計測器は、人員保護のために周囲のガンマを測定するために使用でき、通常は設定されたレートを超えるとアラームを鳴らしますが、高い精度が要求されない場合には、通常、ガイガー・ミュラー管計測器が好まれます。

湿気はイオンチャンバーの精度に影響を与える主な問題です。チャンバーの内部は完全に乾燥した状態に保たれなければならず、通気口付きタイプでは乾燥剤が使用されています。^[2]生成される電流は非常に低いため、精度を保つためには漏れ電流を最小限に抑える必要があります。ケーブルの誘電体やコネクタの表面にある目に見えない吸湿性の湿気は、漏れ電流を引き起こすのに十分であり、放射線誘導イオン電流を圧倒する可能性があります。このため、チャンバー、その端子、ケーブルを入念に洗浄し、オーブンで乾燥させる必要があります。「ガードリング」は、通常、高電圧チューブの設計機能として使用され、チューブ接続絶縁体の表面を通した漏れや表面に沿った漏れを減らすために使用されます。チューブ接続絶縁体には、10 ¹³  Ω 程度の抵抗が必要になる場合があります。^[6]

リモート電子機器を備えた産業用途の場合、イオンチャンバーは、機械的な保護を提供する別の筐体に収容され、終端抵抗に影響を与える可能性のある湿気を除去する乾燥剤が含まれています。

チャンバーが測定電子機器から遠く離れている設置では、ケーブルに作用する外部の電磁放射によって測定値が影響を受ける可能性があります。これを克服するために、非常に低いイオンチャンバー電流を入射放射に関連するパルス列またはデータ信号に変換するローカルコンバータモジュールがよく使用されます。これらは電磁気の影響を受けません。

電離箱は放射線量に比例した出力を提供するため、原子力産業で広く使用されています。標準的なガイガー・ミュラー管はガスの分解の影響を受け、一般的に寿命が約10 ¹¹カウントに制限されていますが、電離箱はそれよりも動作寿命が長いため、一定の高線量率を測定する状況で広く使用されています。 ^{[1]さらに、ガイガー・ミュラー管はデッドタイム効果により1秒あたり約10 4}カウント を超えて動作できませんが、電離箱には同様の制限はありません。

イオン化室は煙探知器で広く利用され、有益である。イオン化型煙探知器では、周囲の空気がイオン化室に自由に流入する。この室には少量のアメリシウム241が含まれており、これがアルファ粒子を放出して一定のイオン電流を生成する。煙が探知器に入ると、イオンが煙粒子に衝突して中和されるため、この電流が乱れる。この電流の低下によって警報が鳴る。探知器には、密閉されているが同様にイオン化される基準室もある。2つの室のイオン電流を比較することで、気圧、温度、または発生源の経年変化による変化を補正することができる。^[7]

医学物理学と放射線治療では、電離箱は治療ユニット^[8]または放射性医薬品から投与される線量が意図したとおりであることを確認するために使用されます。放射線治療に使用される装置は「基準線量計」と呼ばれ、放射性医薬品に使用される装置は放射性同位元素線量較正器と呼ばれます。これは放射能の測定に使用され、吸収線量の測定には使用されない放射性核種放射能較正器の不正確な名前です。 ^{[9]電離箱には、オーストラリアの ARPANSA や英国の}NPLなどの国家標準研究所によって確立された較正係数があるか、またはユーザーのサイトで国家標準にトレーサブルな転送標準電離箱との比較によって決定された係数があります。^{[4] [10]}

英国では、HSEが特定の用途に適した放射線測定機器を選択するためのユーザーガイドを発行しています。^[11]これはすべての放射線測定機器技術を網羅しており、電離箱測定機器の使用に関する便利な比較ガイドです。

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