電離箱

Ionization_chamber

 「電離箱」  
電離箱は最も単純なタイプのガス充填放射線検出器であり、 X線、ガンマ線、ベータ粒子などの特定のタイプ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、電界の印加によるガス内の直接イオン化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。入射放射線とガスの間の各相互作用によって生成される離散電荷のみを使用します。ガス電離式検出器電離箱とガス増倍を使用する装置、すなわち比例計数管とガイガー計数管が含まれます。
電離箱は、広範囲のエネルギーにわたって放射線に対して良好な均一応答を示し、高レベルのガンマ線を測定するための好ましい手段です。それらは、原子力産業、研究所、X線撮影、放射線生物学、および環境モニタリングで広く使用されています。

コンテンツ
1 動作原理
2 チャンバーの種類と構造
2.1 フリーエアチャンバー
2.1.1 ベントチャンバー
2.1.2 密閉された低圧チャンバー
2.1.3 高圧室
2.2 チャンバーの形状 2.3 研究および校正チャンバー 2.4 歴史的な部屋
2.4.1 コンデンサーチャンバー
2.4.2 外挿チャンバー
3 楽器の種類
3.1 ハンドヘルド 3.2 インストール済み
4 使用中の一般的な注意事項
5 アプリケーション
5.1 原子力産業 5.2 煙探知機 5.3 医療用放射線測定 5.4 アプリケーションの使用に関するガイダンス
6 も参照してください
7 ノート
8 参考文献

動作原理

  平行平板電離箱の概略図。イオンペアの作成と、電界によるイオンのドリフトを示しています。電子は通常、質量が小さいため、陽イオンよりも1000倍速くドリフトします。

  概念的なワイヤーシリンダーガス状放射線検出器の電圧に対するイオン電流のプロット。電離箱は最低電圧のプラトーを使用します。
ガス電離箱は、入射放射線によってガス内に生成されたイオンペアの数から電荷を測定します。それは2つの電極を備えたガスで満たされたチャンバーで構成されています。アノードとカソードとして知られています。電極は、平行板（平行板電離箱：PPIC）の形、または同軸に配置された内部陽極線を備えたシリンダー配置の形をとることができます。
電極間に電位を印加して、充填ガスに電界を発生させます。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イオン化されると、イオン対が生成され、結果として生じる陽イオンと解離した電子は、電界の影響下で反対の極性の電極に移動します。これにより、電位計回路によって測定されるイオン化電流が生成されます。電位計は、チャンバーの設計、放射線量、および印加電圧に応じて、フェムトアンペアからピコアンペアの範囲にある非常に小さな出力電流を測定できなければなりません。生成された各イオンペアは、電極に、または電極から小さな電荷を堆積または除去します。その結果、蓄積された電荷は、生成されたイオンペアの数、つまり放射線量に比例します。この継続的な電荷の生成により、イオン化電流が生成されます。これは、チャンバーに入る総イオン化線量の測定値です。
電界は十分に強いため、すべてのイオンペアをモップアップすることでデバイスが継続的に動作し、イオン電流を減少させるイオンペアの再結合を防ぎます。この動作モードは「電流」モードと呼ばれ、出力信号が連続電流であり、ガイガーミュラー管や比例計数管の場合のようにパルス出力ではないことを意味します。生成されるイオンペアの数は入射放射線のエネルギーに比例するため、この連続的に測定される電流は、電離箱内の線量率（単位時間あたりに蓄積されるエネルギー）に比例します。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、イオンチャンバーの電界強度が比較的低いため、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効果的に一定であることがわかります。増倍効果はありません。これは、ガイガーミュラー管または比例計数管とは異なり、二次電子、そして最終的には複数のアバランシェが元のイオン電流電荷を大幅に増幅します。

チャンバーの種類と構造
以下のチャンバータイプが一般的に使用されます。

フリーエアチャンバー
これは大気に自由に開放されたチャンバーであり、充填ガスは周囲空気です。家庭用煙探知器はこの良い例であり、イオン電流の変化によって煙粒子を検出できるように、チャンバーを通る空気の自然な流れが必要です。他の例は、イオンがチャンバーの外側で生成されるが、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です。

ベントチャンバー
これらのチャンバーは通常円筒形で大気圧で動作しますが、湿気の侵入を防ぐために、乾燥剤を含むフィルターがベントラインに取り付けられています。これは、チャンバーの内部に湿気が蓄積するのを防ぐためです。湿気は、大気圧の変化による「ポンプ」効果によって導入されます。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で作られた円筒形の本体を備えています。材料は、壁が放射線ビームエネルギーの範囲にわたって「空気等価」であると言われるように、空気の原子番号と同様の原子番号を持つように選択されます。 これは、チャンバー内のガスが無限に大きなガス量の一部であるかのように機能することを保証する効果があり、ガンマと壁材料との相互作用を減らすことによって精度を高めます。壁材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上げることの間のトレードオフです。これらのチャンバーには、多くの場合、マイラーなどの十分に薄い材料で作られたエンドウィンドウがあり、ベータ粒子がガスボリュームに入ることができます。ガンマ線は、エンドウィンドウと側壁の両方から入ります。ハンドヘルド機器の場合、ベータウィンドウの応答は明らかに指向性が高いものの、光子の指向性を減らすために壁の厚さは可能な限り均一になっています。ベントチャンバーは、空気圧による効率の小さな変化の影響を受けやすく、補正係数を適用して非常に正確な測定アプリケーションを実現できます。

密閉された低圧チャンバー
これらは、ベントチャンバーと構造が似ていますが、密閉されており、大気圧またはその周辺で動作します。これらのチャンバーには、ベントや乾燥剤を必要としないという利点も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、検出効率を向上させるために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、許容できる大気圧からの差圧が制限されます。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。

高圧室
高圧ガスを使用することにより、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気圧の圧力を使用でき、さまざまな希ガスが使用されます。圧力が高いほど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の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しているため、ガンマ線のみを検出できます。これらの検出器は、サーベイメータや環境モニタリングに使用されます。

チャンバーの形状
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「シンブル」チャンバーです。アクティブボリュームは、内部導電性表面（カソード）と中央アノードを備えたシンブル形状のキャビティ内に収容されています。空洞に印加されたバイアス電圧はイオンを収集し、電位計で測定できる電流を生成します。
平行平板チャンバー（PPIC）は小さなディスクのような形をしており、円形の収集電極が通常2mm以下の小さなギャップで分離されています。上部ディスクは非常に薄いため、円筒形のチャンバーで可能な場合よりもはるかに正確な表面付近の線量測定が可能です。モニターチャンバーは通常、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るPPICです。たとえば、放射線治療に使用される線形加速器の頭の中。マルチキャビティ電離箱は、いくつかの異なる領域で放射ビームの強度を測定し、ビームの対称性と平坦性の情報を提供します。

研究および校正チャンバー

  ピエール・キュリー製電離箱、c 1895-1900
電離箱の初期のバージョンは、放射性物質を分離する元の作業でマリーとピエール・キュリーによって使用されました。それ以来、電離箱は研究および校正の目的で実験室で広く使用されているツールです。

歴史的な部屋

コンデンサーチャンバー
コンデンサーチャンバーは、コンデンサーとして機能するステム内に二次空洞を持っています。このコンデンサが完全に充電されると、シンブル内のイオン化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。これらは、エネルギーが2 MeV以下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

外挿チャンバー
平行平板チャンバーと同様の設計で、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。測定は、異なるプレート間隔で行うことができ、ゼロのプレート間隔、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。

楽器の種類

ハンドヘルド

  使用中の携帯型一体型電離箱サーベイメータ

  一体型ハンドヘルド機器のスライディングベータシールドのビュー
電離箱は、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で広く使用されています。それらは、高線量率測定に特に好ましく、ガンマ線には、50〜100keVを超えるエネルギーに対して優れた精度を提供します。
2つの基本的な構成が同じケースにチャンバーと電子機器を備えた「一体型」ユニット、および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電離箱プローブを備えた「ツーピース」機器。
一体型機器のチャンバーは通常、ケースの前面を下に向けており、ベータ/ガンマ機器の場合、ケーシングの下部に窓がこれは通常、ガンマ線とベータ線の識別を可能にするスライディングシールドを備えています。オペレーターはシールドを閉じてベータを除外し、それによって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ものと同様の可聴クリック音を生成します。電離箱はパルスモードではなく電流モードで動作するため、これは放射率から合成されます。

インストール済み
工業プロセスの測定や高放射線レベルが持続するインターロックの場合、電離箱が好ましい検出器です。これらのアプリケーションでは、チャンバーのみが測定領域に配置され、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ます。設置された機器は、人員保護のために周囲ガンマを測定するために使用でき、通常、事前設定されたレートを超えるアラームを鳴らしますが、高レベルの精度が要求されない場合は、ガイガーミュラー管装置が一般的に好まれます。

使用中の一般的な注意事項
水分は、電離箱の精度に影響を与える主な問題です。チャンバーの内部容積は完全に乾いた状態に保つ必要があり、ベントタイプはこれを助けるために乾燥剤を使用します。生成される電流は非常に小さいため、精度を維持するために、漂遊リーク電流を最小限に抑える必要がケーブルの誘電体とコネクタの表面にある目に見えない吸湿性の湿気は、放射線によって誘発されるイオン電流を圧倒する漏れ電流を引き起こすのに十分である可能性がこれには、チャンバー、その終端とケーブルの綿密なクリーニング、およびその後のオーブンでの乾燥が必要です。「ガードリング」は、一般に、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または表面に沿った漏れを低減します。これには、1013Ω程度の抵抗が必要になる場合があります 。
リモート電子機器を使用する産業用アプリケーションの場合、電離箱は、機械的保護を提供し、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を含む別のエンクロージャに収容されます。
チャンバーが測定電子機器から遠い距離にある設置では、ケーブルに作用する外部電磁放射の影響を受けて読み取り値が影響を受ける可能性がこれを克服するために、ローカルコンバータモジュールを使用して、非常に低い電離箱電流を、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ことがよくこれらは電磁効果の影響を受けません。
アプリケーション編集

原子力産業
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。標準のガイガーミュラー管よりも動作寿命が長いため、一定の高線量率が測定されている状況で広く使用されています。ガスの分解に苦しんでおり、一般的に約1011カウントイベントの寿命に制限されています。さらに、ガイガーミュラー管は、電離箱に同様の制限がないのに対し、デッドタイムの​​影響により、毎秒約104カウントを超えて動作することはできません。

煙探知機
電離箱は、煙探知器で広く有益な用途がイオン化式煙探知器では、周囲の空気が電離箱に自由に入ることができます。チャンバーには少量のアメリシウム241が含まれています。これは、一定のイオン電流を生成するアルファ粒子のエミッターです。煙が検出器に入ると、イオンが煙の粒子に衝突して中和されるため、この電流が遮断されます。この電流の低下により、アラームがトリガーされます。検出器には、密閉されているが同じ方法でイオン化されている参照チャンバーも2つのチャンバー内のイオン電流を比較することで、気圧、温度、またはイオン源の経年変化による変化を補正できます。

医療用放射線測定

  「ウェルタイプ」の電離箱を使用する核医学線量キャリブレータまたは放射性核種キャリブレータの図。ディッパーは、再現可能なソース位置を提供するために使用されます。この例の放射性物質は液体です。
医学物理学および放射線療法では、電離箱を使用して、治療ユニットまたは放射性医薬品から供給される線量が意図されたものであることを確認します。放射線治療に使用される装置は「参照線量計」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校正器と呼ばれます。これは放射性核種放射性崩壊装置の不正確な名前であり、放射性崩壊の測定には使用されますが、吸収線量には使用されません。チャンバーは、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を持つか、ユーザーのサイトで国家標準に追跡可能な移送標準チャンバーとの比較によって決定される係数を持ちます。

アプリケーションの使用に関するガイダンス
英国では、HSEは、関係する特定のアプリケーションに適した放射線測定器を選択するためのユーザーガイドを発行しています。これはすべての放射線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です。

も参照してください
吸収線量
ブラッグ・グレイ空洞理論
線量測定
ガス電離式検出器
シーベルトチャンバー
阻止能（粒子放射線）

ノート

参考文献
コモンズには、電離箱に関連するメディアが
^ Knoll、Glenn F（1999）。放射線の検出と測定（第3版）。ニューヨーク：ワイリー。ISBN 978-0-471-07338-3。
^ Steinmeyer、Paul R.（2003）。「電離箱：あなたが知りたいと思っていたすべて（しかし、尋ねることを恐れていた）」（PDF）。RSOマガジン。8（5）。2012年9月15日にオリジナル（PDF）からアーカイブされました。
^ Seco、Joao; クラージー、ベン; パートリッジ、マイク（2014年10月21日）。「線量測定およびイメージング用の放射線検出器の特性に関するレビュー」。医学と生物学の物理学。59（20）：R303–R347。Bibcode：2014PMB….59R.303S。土井：10.1088 / 0031-9155 / 59/20/R303。PMID25229250。_   ^ ヒル、ロビン; ヒーリー、ブレンダン; ホロウェイ、ロイス; Kuncic、Zdenka; スウェイト、デビッド; クライヴ・バルドック（2014年3月21日）。「キロボルトX線ビーム線量測定の進歩」。医学と生物学の物理学。59（6）：R183–R231。Bibcode：2014PMB….59R.183H。土井：10.1088 / 0031-9155 / 59/6/R183。PMID24584183。_   ^ LND、Inc.電離箱仕様書 ^ テイラー、D .; Sharpe、J.（1951年4月）。「核粒子および放射線検出器。パート1：電離箱および電離箱機器」。IEEの議事録-パートII：電力工学。98（62）：174–190。土井：10.1049/pi-2.1951.0058。
^ コート、アーサー; バグビー、パーシー（1988）。「イオン化煙探知器」。防火の原則。マサチューセッツ州クインシー：全米防火協会。p。249.ISBN0-87765-345-3。
^ ヒル、R; Mo、Z; Haque、M; Baldock、C（2009）。「キロボルトX線ビームの相対線量測定のための電離箱の評価」。医学物理学。36（9Part1）：3971–3981。Bibcode：2009MedPh..36.3971H。土井：10.1118/1.3183820。PMID19810470。_   ^ Mo、L .; ラインハルト、MI; デイビス、JB; アレクシエフ、D .; Baldock、C.。「18F用のCapintecCRC-712M線量校正器の校正」。応用放射線とアイソトープ。64（4）：485–489。土井：10.1016/j.apradiso.2005.09.006。PMID16293417。_   ^ Seco、Joao; クラーシー、ベン; パートリッジ、マイク。「線量測定およびイメージング用の放射線検出器の特性に関するレビュー」。医学と生物学の物理学。59（20）：R303–R347。Bibcode：2014PMB….59R.303S。土井：10.1088 / 0031-9155 / 59/20/R303。PMID25229250。_   ^ 「ポータブル監視機器の選択、使用、および保守」（PDF）。Health＆SafetyExecutive。2001年。2018年1月8日のオリジナル（PDF）からアーカイブ。”