GM計数管について
気体放射線検出器の多くは、気体原子や分子の電離に起因する電流変化を、必要に応じ増幅器などを用い電気信号の形で取り出して放射線を検出する。この形式の検出器では、計数ガス、印加電圧、電極構造などの違いにより、異なる動作モードが得られる。電離箱は、放射線により生成された初期の電荷量に相当する出力が得られる検出器である。また、比例計数管では、電離で発生した電子が検出器内の電場で加速され、新たな電離が引き起こされる。比例計数管は、このガス増幅作用を利用して出力波高を高めるが、この際、入射放射線のエネルギー 情報は保持される。一方、GM 計数管はこれら2つの検出器と比較すると、入射放射線のエネルギー情報が得られない反面、出力波高が十分に高く、放射線管理などで汎用性に用いられる。
GM計数管の動作過程では、計数ガス中に生成された電子が陽極心線へと移動しながら運動エネルギーを増し、新たに電離を起こすとともに、計数ガスの励起に起因した紫外線の介在による電離も加わり電子なだれが陽極心線全体に広がる。この結果、陽極心線周辺に生じた陽イオン の鞘ににより電界が弱まり、GM放電が停止する。これを不感時間という(およそ200μs程度)。GM放電の停止後、陽イオンは次第に移動して陰極へ到達するが、この際に陰極から電子が放出されると再放電を招く。このため、計数ガス中に内部消滅ガスとして働く少量の有機ガス(Qガスといい、ヘリウム+イソブタンの混合)を混ぜ、このガスの分解により電子の 再放出を防止する。これと異なる方法として、電気回路により印加電圧を一時的に下げて再放電を防止することを外部消滅と呼ぶ。
ここで有機ガスのガス増幅について、① 印加電圧が高くなると増幅度は大きくなる。② 計数ガスに酸素を加えると酸素と電子が吸着し、増幅度は小さくなる。③ 陽極心線を細くすると心線周辺の電場が強くなり、増幅度は大きくなる。④ 計数ガスの圧力を強めると圧が高くなり増幅度は小さくなる。という特徴がある。
GM計数管の出力と経過時間との関係をオシロスコープで観測すると下図のようになる。ここでもとのパルス波高にまで戻る時間 P は回復時間。またパルス波高が波高弁別レベルまで戻る時間 q は分解時間と呼ばれ、この間新たな放射線を計数しない。この q の値は通常 10^(-4) s 程度であり、これを求める方法には 二線源法、半減期法などがある。 r は放射線の入射があってもパルスが形成されない時間である。信号処理系を含めたGM計数装置において、時間 t の間に得られた放射線の計数を N とすると、計数 N を得るために要した放射線に有感な時間は t – Nq となる。計数率が極めて高くなり、パルス波高が回復できない状態になると、補正の範囲を超えて極端に計数が低下する。これを 窒息現象と呼ぶ。ここでGM計数管の分解時間(不感時間) τ(s) と見かけの計数率 n(cps) および真の計数率 N(cps) の関係式は N = n/(1 – n・τ) で表せる。
下図のようにGM計数管を配置したとする。
① 中央に穴のあいた絞りは幾何学的効率を規定するために用いる。
② 中央に穴のあいたバッフル板は散乱β線の影響を軽減するために用いるもの。
③ 線源の大きさが十分小さい場合幾何学的効率は絞りの半径及び線源と絞りとの距離とによって決まる。幾何学的効率 G = 1/2[1 – (a/√b)] = 1/2[1 – (10/√104)] ≒ 0.0097 となる。
吸収板は、線源とGM計数管入射窓の間に介在する空気層やGM計数管入射窓におけるβ線の吸収を推定したり、γ線に対するGM計数管の感度を評価するために必要である。吸収板の位置はGM計数管入射窓に近い位置がよい。吸収板はβ線の最大飛程よりも厚い吸収板を用いてγ線 とバックグラウンドにより計数率を評価する。
GM計数管によって放射能を決定するための手順
はじめにβ線の最大飛程よりも厚い吸収板を用いて計数を行い、γ線とバックグラウンドによる計数率を評価する。次に種々の厚さ(2mg/cm2 ~ 50mg/cm2 程度)のアルミニウム製吸収板を置いた時の計数率を順次求める。この値について予め計数装置の不感時間による数え落としの補正を行うとともに厚い吸収板 を用いた時の計数率を差し引き、計数管のγ線に対する感度とバックグラウンドの影響を補正する。これらの結果を片対数グラフの横軸に吸収板厚[mg/cm2]、縦軸に計数率をプロットするとほぼ直線状のグラフが得られる。これは吸収板厚の増加とともにほぼ指数的に計数率が 減少することを意味する。このようなグラフを吸収曲線と呼び、その形はあまり吸収体の材質に依存しない。したがって線源ーGM計数管入射窓間に介在する空気層やGM計数管入射窓におけるβ線の吸収を補正するためには線源ーGM計数管入射窓間と空気密度から空気層の厚さ[mg/cm2]を求め、空気層厚及びGM計数管入射窓の厚さ[mg/cm2]の分だけ 吸収曲線を外挿すればよい。この結果を n’ [s^(-1)]とすると、60Co 試料(線源)の放射能 A [Bq] は次式により決定する。 A = n’/[ε1 × (1+ε2) × (1-ε3)]と表される。ここで ε1 は幾何学的効率。ε2 は後方散乱率。εs は自己吸収率。
端窓型GM計数管を用いた定位体角法では、線源から計数管へ入射するβ-線の割合を絞りにより一定に保ち、放射能 A を求める。この時測定で得られるβ-線の計数率 n と点状線源の放射能との関係は次式で与えられる。n = Aε1 × (1+ε2) × (1-ε3) × (1-ε4) ここで、ε1 は幾何学的効率であり、絞りの半径を R 、絞りと線源との距離を d とするとε1 = 1/2[1 – (d/(√d^2 + R^2))] となる。ε2 は線源支持板の後方散乱の割合、ε3 は線源ー検出器間の空気層や検出器窓による吸収損失の割合、ε4 は線源の自己吸収による損失の割合を表す。また、この測定法を拡張し、幾何学的効率が 0.5 、さらに線源と検出領域との間のβ-線の吸収損失をなくした測定器が 2πβ計数管である。βーγ線同時計数法では、β線検出器とγ線検出器を対向させ、その間に点状線源を置いて測定する。β-線とこれに連続して放出されるγ線について、バックグラウンドを補正したそれぞれの計数率を nβ、nγ、またそれらの同時計数の計数率を nc で表すと、β線検出器及びγ線検出器の計数効率 εβ、εγは εβ = nc/nγ , εγ = nc/nβ となる。この時放射能 A = (nβ・nγ)/nc となる。この測定方法において計数率が高い場合は、β-線と同時事象の関係にないγ線による偶発同時計数率の影響を補正することが必要となり、この補正量は同時計数回路の信号パルスの分解時間を τ とすると 2τ ・ nβ ・ nγ で与えられる。またβ線検出器として 4πβ計数管を用いれば、β線の計数へのγ線の影響がほとんどなく補正が軽減される。
また下記のサイトに私がまとめた資料を示しております。