【理工学・放射線科学】見えない放射線を「視る」技術。検出器の原理から絶対測定まで

放射線技師
ゆん

計測学は「どの検出器が、どの放射線に、どう反応するか」をパズルのように組み合わせる学問なんだ。コツを掴めば、暗記量は一気に減るよ。

リナ

ゆんさん！ 電離箱とかGM管とか、名前は聞いたことありますけど、使い分けが全然分からなくて…。でも、放射線が見えるようになるなら頑張ります！

⚡ 1. 気体電離検出器：電圧が運命を決める

気体（ガス）の中に放射線が入ると、電子とイオンのペアが生まれます。これに電圧をかけて集めるのが基本。 かける電圧によって、モードが劇的に変わります！

リナ

電圧を変えるだけでモードが変わるんですか？ 電離箱とか比例計数管とかGM管とか、全部違う原理だと思ってました…

放射線技師
ゆん

実は全部「同じ管に違う電圧をかけてる」だけなんだよ！

電圧が低い→電離箱、中くらい→比例計数管、高い→GM管。この「電圧-電流曲線」を理解すれば一気に全部わかるようになるよ！

① 電離箱領域 (Ionization Chamber)

• 電圧: 低い。
• 現象: できたイオン対を、再結合させずにそのまま全部集める（増幅なし）。
• 特徴: エネルギー依存性が非常に良い（空気等価）。線量率（Gy/h）を測るサーベイメータや、治療の基準測定に最適！

② 比例計数管領域 (Proportional Counter)

• 現象: 強い電界で電子を加速し、さらにガスを電離させる（電子雪崩）。
• 特徴: 出力パルスが、最初の放射線エネルギーに比例する。核種分析（スペクトル）が可能！

③ GM計数管領域 (Geiger-Muller Counter)

• 電圧: 非常に高い。
• 現象: 1個の放射線が入っただけで、ガス全体が放電する（タウンゼント放電）。
• 特徴: 感度は最高。1個入ったら「ピピッ」と鳴るだけ。一度放電すると、プラスイオンが消えるまで次の測定ができない不感時間が長いのが弱点。

リナ

GM管って「感度最高だけど不感時間が長い」…つまり測れない時間があるってことですか？

放射線技師
ゆん

そう！GM管は一度放電すると、次の放射線が入っても「今忙しい！」って無視しちゃうんだ。だから高線量率のときは「数え落とし」が起きる。

この弱点を補正する計算式が国試で頻出だよ！後で詳しく説明するね。

「エネルギーをどれだけ細かく見分けられるか」というエネルギー分解能の戦いです。

① シンチレーション検出器（NaI(Tl)）

• 仕組み: 放射線が入る → 光が出る（蛍光） → 光電子増倍管（PMT）で電気に変える。
• 特徴: 検出効率が高い（大きい結晶を作れるから）。核医学のガンマカメラの主役！
• 弱点: 分解能が悪い（約7%程度）。隣り合ったエネルギーの山がくっついて見えちゃう。

② 半導体検出器（高純度Ge）

• 仕組み: シリコンやゲルマニウムの結晶の中で、放射線が直接「電子・正孔対」を作る。
• 特徴: エネルギー分解能が最強（約0.2%）。非常に鋭いピークが見えるので、複雑な核種分析には必須！
• 注意: Ge検出器は熱でノイズが出るから、液体窒素で冷やして使うのがお約束。

リナ

「分解能」って、数字が小さいほど性能が良いんですよね？ 「NaIは太っちょな山、Geは細長い針」ってイメージすればOKですか？

放射線技師
ゆん

その通り！ FWHM（半値幅）が狭いほど、隣り合ったエネルギーを鋭く見分けられるんだ。Ge検出器がスペクトル分析で最強なのはそのためだよ。

リナ

液体窒素で冷やさないといけないって、ずいぶん大変そう…コストもかかりそうですね。

放射線技師
ゆん

そう、だからGe検出器は「高性能だけど維持が大変」なんだ。

普段のスクリーニングにはNaI、精密な核種同定にはGeって使い分けるのが現場の常識だよ！

🎖️ 3. 個人被ばく線量計：4強の比較表

私たちが胸につけている「バッジ」の正体です。これ、表で覚えるのが最短！

リナ

私も実習で「ルミネスバッジ」つけてました！あれって何種類もあるんですか？

放射線技師
ゆん

そう、主に4種類あるんだ。原理と特徴が全然違うから、表で整理すると覚えやすいよ！

特に「再読取りできるか」が国試の定番ポイントだから要チェック！

リナ

「再読取り可」と「不可」の違いって、国試でどう狙われるんですか？

放射線技師
ゆん

「繰り返し読み取りできるものは？」って聞かれたらRPLDとOSLって即答できるようにしておこう！

TLDは加熱で読み取ると情報が消えちゃうし、フィルムは現像したら終わり。この違いは頻出だよ。

📈 4. 数理：数え落としと有効数字

不感時間の補正公式

実際に跳ね返ってきた数 n と、真の数 N の関係。

• 回復型（Non-paralyzable）: $N = \frac{n}{1 – n\tau}$
  • τ: 不感時間。この式は計算問題でマスト！
  • 覚え方：「不感時間に食われた分を、分母で引いてあげる」と実数は増えるよね。

リナ

この式、分母が「1 – nτ」って引き算になってるのはなぜですか？

放射線技師
ゆん

いい質問！nτは「測定中に検出器が忙しくて見逃した割合」なんだ。

例えば1秒間に1000回カウントして、不感時間が0.0001秒なら、0.1（10%）の時間は「見てない」ことになる。だから真の値は見た分(1-nτ)で割って戻すんだよ！

🏛️ 5. 理論：ブラッグ・グレイの空洞原理

ここが計測学の「哲学」であり、最難関ポイント。 「物質 m（筋肉や水）の中の本当の吸収線量を知りたいけど、直接は測れない。だから、小さな空気の泡（空洞）を作って、その電離を測って計算しちゃおう！」 という理論。

黄金の公式

D_m = D_g ⋅ s_m, g

• D_m: 物質の吸収線量
• D_g: 空洞内（気体）の吸収線量
• s_m, g: 物質と気体の質量阻止能比。

成立の条件: 1. 空気の泡が十分小さいこと（放射線の状態を乱さない）。 2. その場所で電子平衡が成り立っていること（入ってくる電子と出ていく電子が同じエネルギーを運ぶ）。

W値とG値

• W値: イオン対を1個作るのに必要な平均エネルギー。空気なら 34 eV。
• G値: 化学計測（フリッケ線量計など）で、100eVあたりで何個の分子が変化したか。

リナ

W値とG値、覚え方がごっちゃになりそうです…何かいい方法ありますか？

放射線技師
ゆん

『W』は『ボルト（V）』に似てるからエネルギー（eV）、『G』は『ジェネレート（Generate）』だから個数、って覚えると混乱しないよ！

• 用途: 基準線量計、サーベイメータ（高線量率用）。「正確な線量」を知りたいときはコレ一択！

② 比例計数管領域 (Proportional Counter)

• 電圧: 中くらい。
• 現象: ガス増幅が起きる！ 最初のイオン対に比例して、信号が大きくなる。
• 特徴: α線とβ線を区別できる（波高選別）。
• 用途: 表面汚染検査、中性子測定（BF₃管）。

③ GM計数管領域 (Geiger-Müller Counter)

• 電圧: 高い（プラトー領域）。
• 現象: 1個でも放射線が入ると、管全体で電子雪崩（タウンゼント放電）が起きる。
• 特徴: 感度は最強だけど、エネルギーの情報は失われる（何を測ってもパルス高は同じ）。分解時間が長い（窒息現象＝数え落とし）。
• 用途: サーベイメータ（低線量率用）、迷子の放射線源探し。

👁️ EXAMINER’S EYES：出題者の狙い

「数え落とし（分解時間）」の計算問題、これは計測学のラスボスです。 「見かけの計数率 n」と「真の計数率 N」の関係式 $N = \frac{n}{1 – n\tau}$。 出題者は意地悪く「分解時間 τ」を与えてきます。「GM管は窒息しやすい（数えきれない時間がある）」という弱点を突いてくるんです。この式は丸暗記推奨です！

リナ

電離箱とGM管、どっちがいいんですか？ 使い分けが分からなくて…

放射線技師
ゆん

『GM管は感度バツグンだけどバカ、電離箱は感度悪いけど秀才』って覚えるといいよ！

GM管は微量な漏洩を探すのは得意だけど、正確な線量（Sv）を測るのには向いてない。使い分けが大事なんだ！

💎 2. 固体検出器：光と電子の魔術

気体よりも密度が高い「固体」を使うから、感度が良くて検出効率が高いのが特徴。

リナ

固体の方が感度がいいんですか？ 気体検出器と何が違うんですか？

放射線技師
ゆん

固体は気体より密度が1000倍以上だからね。放射線が通過するとき、たくさんの原子とぶつかる＝たくさんの信号が出るってこと！

だから核医学のガンマカメラには固体（NaI）が使われてるんだよ。

① シンチレーション検出器 (Scintillator)

放射線が当たると「ピカッ」と光る物質を使います。

• NaI(Tl): ヨウ化ナトリウム（タリウム活性）。γ線測定の王様。感度が高いけど、潮解性がある（湿気で溶ける）から密閉が必要。

💡 CROSS-OVER LINK ここで出てくる NaI(Tl) は、核医学のガンマカメラ（SPECT）で使われる検出器と全く同じです！ 「感度が高い＝検査時間が短くて済む」というメリットが、診断と計測の両方で活かされているんですね。

リナ

NaI(Tl)って「潮解性」があるって聞きました…湿気で溶けちゃうって本当ですか？

放射線技師
ゆん

そう、だからアルミケースで密閉して使うんだ。

「NaI(Tl)＝潮解性あり＝密閉必要」はセットで覚えておいてね！これも国試で狙われるポイントだよ。

• ZnS(Ag): 硫化亜鉛。α線用。
• 液体シンチレータ: トリチウム（³H）などの低エネルギーβ線用。試料を液体に溶かし込んで測る（幾何学的効率 4π）。

② 半導体検出器 (Semiconductor)

• Ge（ゲルマニウム）検出器: エネルギー分解能が最強。核種同定（スペクトル分析）の最高峰。ただし、液体窒素で冷やさないと熱ノイズで使い物にならない。
• Si（シリコン）検出器: α線、β線用。
• CdTe（カドテル）検出器: 室温で使えるγ線検出器。最近の流行り。

📛 3. 個人被ばく線量計：あなたの被ばくを記録する

私たちが胸につけてる「ガラスバッジ（ルミネスバッジ）」の中身です。

蛍光ガラス線量計 (RPLD)

• 材料: 銀活性リン酸塩ガラス。
• 原理: 紫外線を当てるとオレンジ色に光る（ラジオフォトルミネッセンス）。
• 特徴: 素子の情報を読み取っても消えない（積算可能）。フェーディング（退行）が少ない。現在（ガラスバッジ）の主流。

光刺激ルミネッセンス線量計 (OSL)

• 材料: 酸化アルミニウム（Al₂O₃:C）。
• 原理: 緑色レーザーを当てると青色に光る。
• 特徴: 感度がめちゃくちゃ高い。繰り返し使える。商品名「ルミネスバッジ」など。

熱ルミネッセンス線量計 (TLD)

• 材料: 硫酸カルシウム（CaSO₄）、フッ化リチウム（LiF）。
• 原理: 加熱すると光る。
• 特徴: 素体（実効原子番号）が生体（7.4）に近い物質を選べる。読み取ると情報は消える（アニーリング）。

リナ

TLDって「LiF」が有名ですけど、なんで生体に近い物質を使うんですか？

放射線技師
ゆん

「実効原子番号」が人体に近いほど、エネルギー依存性が少なくなるんだ。

LiFの実効原子番号は8.2で、人体の約7.4に近い。だから低エネルギーのX線でも比較的正確に測れるのがメリットだよ！

📏 4. 絶対測定への道：ブラッグ・グレイの空洞原理

「測定器（空洞）」の値から、本当に知りたい「物質（壁）」の吸収線量を計算で求めるための伝説の理論。

リナ

「空洞原理」って、なんで空洞が必要なんですか？直接測ればいいのに…

放射線技師
ゆん

いい質問だね！僕らが知りたいのは「水や組織に吸収されたエネルギー」だけど、それを直接測る方法がないんだ。

だから小さな空気の泡（空洞）を作って、そこで起きた電離を測って、計算で求めるのがこの理論の肝だよ！

$$D_w = J_g \cdot \frac{W}{e} \cdot s_{w,g}$$

• D_w: 壁（水や生体）の吸収線量
• J_g: 空洞（気体）中の電離電荷量
• W: W値（気体で1イオン対を作るエネルギー、空気なら34 eV）
• s_w, g: 壁と気体の質量阻止能比

💡 CROSS-OVER LINK ブラッグ・グレイの式に出てくる「W値（イオン対生成エネルギー）」。 気体（34eV）より半導体（3〜4eV）の方が圧倒的に小さい（約1/10）という事実は、放射線物理学でも超重要！ 「W値が小さい = 同じ放射線量でもたくさんの信号（電子）が出る = エネルギー分解能が良い」。このロジックでゲルマニウム検出器の高性能さを説明できます！

リナ

ブラッグ・グレイの式って難しそうですけど、「機械の電気量」を「人体の吸収線量」に変えてくれる『魔法の杖』みたいなものなんですね！

放射線技師
ゆん

ははは、魔法の杖か。いい例えだね。僕たちが本当に知りたいのは「機械の値」じゃなくて「人体への影響」だから、この橋渡しこそが医療計測の核心なんだ。

🎓 結論：計測は「信頼」の証

リナ

計測学って暗記が多いと思ってたけど、「何を測りたいか」で検出器が決まるって考えると、ずっとシンプルですね！

放射線技師
ゆん

その通り！国試では「この場面で使う検出器は？」という応用問題が多いから、原理と特徴をセットで覚えておこう。

「見えない放射線を視る」技術、これが計測学の醍醐味だよ！

📚 参考文献 (References)

[1] 日本放射線技術学会 監修『放射線計測学（改訂第2版）』, オーム社. [2] 放射線医学総合研究所 (NIRS) 計測マニュアル.