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電離箱は、最も単純なタイプの気体電離検出器であり、 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、電界の印加によって気体内の直接電離によっ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 ]入射放射線と気体との相互作用によって生成された個別の電荷を使用して、小さな直流電流の形で出力を生成します。これは、個々の電離イベントを測定することはできないため、異なる種類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良く測定できます。
広範囲のエネルギー範囲にわたって放射線に対する均一な応答性を持ち、放射線ホットセルなどの高レベルのガンマ線を測定する際の好ましい手段です。これは、高放射線場に長時間さらされても劣化しないためです。原子力発電産業、研究室、火災検知、放射線防護、環境モニタリングなど、幅広い分野で利用されています。
ガス電離箱は、入射放射線によってガス中に生成されたイオン対の電荷を測定する装置です。ガスが充填されたチャンバー内に、陽極と陰極と呼ばれる2つの電極が配置されています。電極は、平行板（平行板型電離箱：PPIC）の形をとる場合もあれば、同軸上に陽極線が配置された円筒形の場合もあります。
電極間に電圧を印加することで、充填ガス中に電場が生成されます。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電離されると、イオン対が生成され、結果として生じた正イオンと解離した電子は、電場の影響を受けて反対極性の電極に移動します。これにより電離電流が発生し、これはチャンバーの設計に応じてフェムトアンペアからピコアンペアの範囲で電位計回路によって測定され、放射線量に比例します。[ 1 ]
電界は、イオン電流を減少させるイオン対の再結合を防ぐのに十分な強さでなければならず、正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正イオンの蓄積が防止されます。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します。[ 1 ]
添付のイオンペア収集グラフを参照すると、イオンチャンバーの動作領域では、収集されたイオンペア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、イオンチャンバーの電界強度が比較的低いため、イオンチャンバーに増倍効果がないためです。これは、二次電子、そして最終的には多重アバランシェが元のイオン化電荷を大きく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の種類は以下のとおりです。
これは大気に開放されたチャンバーで、内部には外気が充填されています。家庭用煙感知器はその良い例で、煙粒子をイオン電流の変化によって検出するために、チャンバー内を自然に空気が流れる必要があります。その他の例としては、イオンがチャンバーの外で生成され、強制的に空気またはガスを流し込むことでチャンバー内に運ばれる用途があります。
これらのチャンバーは通常円筒形で大気圧下で動作しますが、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、数ミリメートルの厚さ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。材料は空気の原子番号に似たものが選択され、壁は放射線ビームエネルギーの範囲で「空気等価」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に大きなガス体積の一部であるかのように動作することが保証され、ガンマ線と壁材料との相互作用が減少することで精度が向上します。壁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、壁を厚くして空気効果を維持することと、壁を薄くして感度を高めること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内に入り込めるように、マイラーなどの薄い材料で作られた端窓が設けられていることが多い。ガンマ線は端窓と側壁の両方から入ってくる。携帯型機器の場合、光子の指向性を低減するために壁の厚さはできるだけ均一に作られるが、ベータ窓の応答は明らかに高い指向性を持つ。通気型チャンバーは気圧による効率のわずかな変化の影響を受けやすく[ 2 ]、非常に正確な測定用途には補正係数を適用することができる。
これらは構造的に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動作します。これらのチャンバーには、通気口や乾燥剤が不要であるという利点もあります。検出効率を向上させるために、空気中の電気陰性度の高い酸素が自由電子を容易に捕捉して負イオンを形成するため、希ガスが充填されています。ベータ窓の強度によって、許容できる大気圧からの差圧が制限され、一般的な材料はステンレス鋼またはチタンで、典型的な厚さは25 μmです。[ 5 ]
チャンバーの効率は、高圧ガスを使用することでさらに向上させることができます。通常、8～10気圧の圧力が使用され、さまざまな希ガスが用いられます。圧力が高くなるとガス密度が高くなり、それによって充填ガスとの衝突や入射放射線によるイオン対生成の確率が高まります。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「指ぬき型」のチャンバーです。有効体積は、内側に導電性表面（陰極）と中央に陽極を持つ指ぬき型の空洞内に収容されます。空洞にバイアス電圧を印加するとイオンが収集され、電流が発生します。この電流は電位計で測定できます。
平行平板電離箱（PPIC）は小さな円盤状で、円形の集電電極が通常2mm以下の小さな隙間で隔てられています。上部の円盤は非常に薄いため、円筒形電離箱よりもはるかに正確な近表面線量測定が可能です。モニター電離箱は通常PPICであり、放射線ビームの強度などを連続的に測定するために使用されます。例えば、放射線治療に使用されるリニアアクセラレータのヘッド内などです。多空洞電離箱は、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。
初期のイオンチャンバーは、マリー・キュリーとピエール・キュリーが放射性物質の分離に関する初期の研究で使用した。それ以来、イオンチャンバーは研究や校正目的で実験室において広く使用されている。
コンデンサーチャンバーは、ステム内部にコンデンサーとして機能する二次空洞を備えています。このコンデンサーが完全に充電されると、シンブル内部で発生する電離によってこの電荷が打ち消され、電荷の変化を測定できます。ただし、2 MeV以下のエネルギーのビームにしか実用的ではなく、ステムからの漏洩電流が大きいため、精密な線量測定には適していません。
平行平板型電離箱と同様の構造を持つ外挿電離箱は、マイクロメータネジを用いて上部の電離板を上下させることができます。異なる電離板間隔で測定を行い、電離板間隔がゼロの場合、すなわち電離箱を使用しない場合の線量に外挿することが可能です。
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測定器で広く使用されています。特に高線量率測定に適しており、ガンマ線については50～100 keV以上のエネルギーで高い精度が得られます。[ 1 ]
基本的な構成は2種類あります。1つは、電離箱と電子機器が同一筐体に収められた「一体型」ユニット、もう1つは、電離箱プローブがフレキシブルケーブルで電子機器モジュールに接続された「2ピース型」装置です。
一体型測定器のチャンバーは通常、ケース前面に下向きに配置されており、ベータ線・ガンマ線測定器の場合はケース底部に窓があります。この窓には通常、ガンマ線とベータ線を識別できるスライド式の遮蔽板が備えられています。操作者は遮蔽板を閉じてベータ線を遮断し、それぞれの放射線の発生率を計算することができます。
一部の携帯型計測器は、GMカウンターと同様のクリック音を発し、放射線調査や汚染チェックの際に音声フィードバックを利用するオペレーターを支援します。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、この音は放射線率から合成されます。
持続的に高放射線レベルにさらされる工業プロセス計測やインターロックには、イオンチャンバーが好ましい検出器として用いられます。これらの用途では、測定エリアにはチャンバーのみが設置され、電子機器は放射線から保護するために遠隔地に設置され、ケーブルで接続されます。設置された機器は、作業員の保護のために周囲のガンマ線を測定するために使用でき、通常は設定値を超えると警報を発しますが、高い精度が要求されない場合は、一般的にガイガー・ミュラー管式測定器が好まれます。
イオンチャンバーの精度に影響を与える主な問題は湿気です。チャンバーの内部容積は完全に乾燥した状態に保つ必要があり、通気型では乾燥剤を使用してこれを実現しています。[ 2 ]発生する電流が非常に小さいため、精度を維持するためには、迷走漏洩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付着した目に見えない吸湿性の水分でも、放射線誘起イオン電流を圧倒する漏洩電流を引き起こす可能性があります。そのため、チャンバー、終端部、ケーブルを念入りに洗浄し、オーブンで乾燥させる必要があります。「ガードリング」は、一般的に高電圧管の設計上の特徴として使用され、管接続絶縁体の表面を通る、または表面に沿った漏洩を低減します。これには、10 13 Ω 程度の抵抗が必要になる場合があります。[ 6 ]
遠隔電子機器を使用する産業用途では、イオンチャンバーは独立した筐体に収容され、機械的な保護を提供するとともに、終端抵抗に影響を与える可能性のある湿気を除去するための乾燥剤が内蔵されています。
測定用電子機器からチャンバーまでの距離が遠い設置環境では、ケーブルに作用する外部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線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。これらの信号は電磁波の影響を受けません。
電離箱は、放射線量に比例した出力が得られるため、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劣化により動作寿命が短く、一般的に約 10 11カウント イベントに制限されるため、電離箱は標準的なガイガー・ミュラー管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のため、約 10 4カウント/秒を超えて動作することはできませんが、電離箱には同様の制限はありません。
電離箱は煙探知器で広く有益な用途が見出されている。電離式煙探知器では、周囲の空気が電離箱に自由に流入する。電離箱には少量のアメリシウム241が含まれており、これはアルファ粒子を放出し、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。この電流の低下が警報を発する。探知器には、密閉されているが同様の方法で電離される基準箱も備えられている。2つの電離箱のイオン電流を比較することで、気圧、温度、または線源の経年劣化による変化を補正することができる。[ 7 ]
医療物理学および放射線治療では、電離箱は治療装置[ 8 ]または放射性医薬品から照射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体線量校正器と呼ばれます。これは放射能の測定に使用される放射性核種放射能校正器の不正確な名称であり、吸収線量の測定には使用されません。[ 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校正係数があるか、または使用者のサイトで国家標準にトレーサブルな伝達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、電離箱機器の使用に関する有用な比較ガイドとなっています。