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 放射線源から離れるにせよ、摂取量の管理にせよ、肝心の放射線の量がわからないと話になりません。本章では、その放射線量の測定について考えていきましょう。

日常の感覚から大きくずれている放射線

 よく一般に言われることに、「放射線は目に見えないから怖い」というのがありますが、目に見えるかどうかを問題にするのでしたら、細菌もウィルスも化学薬品も目には見えません。それゆえ人類はそういった「目に見えないもの」を可視化するために、さまざまな方法を開発してきました。肉眼では見えなくとも、なんらかの測定方法を用いれば「見える」ようになるのです。

 放射線が化学薬品などと異なる点は、これまでお話ししたサイズの問題以外に、数の問題も大きいです。通常われわれが相手にしているのは、巨大な集団をひとまとめにした巨視的な量です。たとえば物質の量ではmol、電流の量ではAです。前者は原子1,000,000,000,000,000,000,000,000個分ですし、後者は電子10,000,000,000,000,000,000個分の電荷が1秒間当たりに通過する量です。それに対して、放射線の場合は、放射能の単位であるBqが象徴するように、放射線ひとつひとつを数えています。なんと20桁もの開きがあるのです。これが、放射線を特殊なものだと感じる原因のひとつです。他の分野の量から見て桁違いに微量なものであろうとも、放射線は測定することが可能であるがために、どうもわれわれの感覚を狂わせてしまうのです。

 一例を挙げましょう。福島第一原子力発電所事故で、大量の放射性物質が放出され、東北地方のかなり広い範囲を汚染しました。僕は、同事故の数日後に、われわれの実験施設(茨城県東海村)の構内の道路の表面に放射線測定器を当ててみましたが、普段では有り得ないほど高い値を表示しました。このように広い地域を汚染したのですから、放出された量も相当なものだと思われるでしょう。たとえばセシウム137は1.5 × 1016 Bqもの量が放出されました(1)。チェルノブイリ原子力発電所事故を除けばほかに類を見ないほどの膨大な量です。これを比放射能3.2 × 1012 Bq/gで割れば、質量に換算されます。割り算すると、4.7 kgとなります。セシウムの比重は2程度ですから、体積で言うと2.4ℓ(リッター)程度です。牛乳パック2本半。たったそれだけの量で、東北の広範囲の土壌を汚染したのです。牛乳3本買って来てその辺りに撒いたとしても大した範囲を汚せないでしょう。東北の東半分に撒こうと思ったら、相当薄く撒かなければなりません。福島第一原子力発電所から東海村まで100kmほどですから、仮に半径100kmの範囲にこの量の牛乳を均一に撒くと、1m2当たり0.00000008cc程度になります。これでは、地面に染み込んだ牛乳の臭いなど、嗅覚の鋭い犬でもまったくわからないレヴェルでしょう。しかし、牛乳ではなく放射線として測定すると、50Bq/cm2となり、はっきりと測定できるのです。放射線というものが、われわれの普段の感覚からはまったく掛け離れたものだということがよくおわかりいただけるのではないでしょうか。

 さて、以下本章では、そんな放射線を測定する機器についてお話ししたいと思います。放射線測定器にもたくさん種類があるのですが、ちょうど僕の職場にある測定器がてごろですので、それらを取り上げてみたいと思います(写真撮影が楽だからです)

電離箱

電離箱

 電離箱は、中に気体が入った箱状の測定器です。第4章でお話ししたとおり、放射線の主たる効果は電離ですから、それを利用して放射線の量を測定しようというものが電離箱です。放射線がこの箱の中を通過するときに、その気体分子を電離します。電離によって生じた電子とイオンの量を測定し、それを放射線量に換算して表示しています。
 その場所の放射線量率(空間線量率)を測定するのに用いられ、主にγ線がその対象ですが、β線も測定できます(トリチウムのような低エネルギーのβ線は測定できません)
 画像のもので、測定範囲は1μSv/h 〜 10mSv/hです。

NaIシンチレーション検出器

NaI(Tl)シンチレーション検出器

 NaI(Tl)シンチレーション検出器は、ヨウ化ナトリウムの結晶に微量のタリウムを添加した固体の検出器です。画像の銀色の筒の中にこの結晶が入っています。
 シンチレーターとは、荷電粒子に反応して蛍光(シンチレーション光)を出す物質のことです。第4章で、γ線と物質との反応についてお話ししましたが、それを思い出してください。結局すべての場合で、β線(電子)をたたき出すのでしたよね。つまり、このシンチレーターにγ線が入ると、結晶中の電子がたたき出され、電子は荷電粒子ですから、結晶は蛍光を発するわけです。蛍光の強度は結晶に吸収されたエネルギーに比例するので、放射線量を測定できるのです。
 これもγ線の空間線量率を測定するのに用いられます。画像のもので測定範囲は30μSv/hまでです。感度が高い測定器ですので、電離箱よりも低い線量率を測定するのに使われます。

ガイガー=ミュラー計数管

ガイガー=ミュラー計数管

 ガイガー=ミュラー計数管(カウンター)は、「GM管」と呼ばれ、電離箱と同じく気体の電離を利用した測定器です。電離箱との違いは、電離された電子に高い電圧をかけて集めるため、大きな信号が得られる反面、信号は測定器に入った放射線のエネルギーに比例しませんので、放射線量は測定できず、「計数管」の名前のとおり、放射線の数、つまり放射能だけが測定できます。計測している放射線の種類がわかっていれば、そのエネルギーを数にかければ、一応、線量率は計算できます。
 そこで、放射線量率を測定するのではなく、対象物の汚染状態を調べるのに用います。γ線に対しては感度が低く、主な測定対象はβ線です。画像のもので測定範囲は1,700Bq程度までです。
 いかにも人名っぽい名称ですが、まさにこの測定器を考え出した、共にドイツの物理学者であるヨハネス・ヴィルヘルム・ガイガーとヴァルター・ミュラーの名前から取られています。

 ところで、これまた誤用の例ですが、一部のメディアやそれに影響を受けた人々は、あたかも「放射線測定器 = ガイガーカウンター」であるかのように呼びますが、ここでお話ししたとおり、ガイガーカウンターというのは放射線測定器の一種に過ぎず、しかも重要である放射線量率は直接測定できないのです。なぜ彼らが、数ある放射線測定器の中で、ガイガーカウンターだけ中途半端に知っているのかわかりませんが。
 「放射能」という言葉の使い方といい、まともな話がしたいのであれば、正しい日本語を使うべきです。「ガイガーカウンターがこんな高い値を示している! これは異常だ!」と騒いでも、使っているのがどう見てもガイガーカウンターではない場合は、その人が言っていることすべてが疑わしくなります。

減速型中性子線量当量計

減速型中性子線量当量計

 減速型中性子線量当量計は、その名のとおり中性子を計測する装置です。その中心となる測定部分には、画像のものだとヘリウム3が充填されています(ほかにも、フッ化ホウ素を充填したものもあります)。このヘリウム3に中性子が入ると、

3He + n → 3H + p

という、まさにヘリウム3(陽子2つと中性子1つ)とトリチウム(陽子1つと中性子2つ)の陽子と中性子が入れ替わったかのような反応が起きます。中性子の代わりにたたき出された陽子は荷電粒子ですから、電気的に計測できます。
 ところでこの測定器は丸々としている上にちょっと可愛い尻尾(画像の矢印、実際には立てて使うときの脚)がついているために、僕は「仔豚ちゃん」と呼んでいます。このように丸々と肥えているのは、測定部分をポリエチレンの塊(白い部分)で囲んでいるからです。このポリエチレンは、第6章でお話ししたとおり水素原子を多く含んでおり、水素原子は第4章でビリヤードの話でたとえたように中性子のエネルギーを奪うには最適のものです。中性子のエネルギーを奪う、つまり速度を落とすので、「減速型」という名前がついています。
 このポリエチレンの内側にさらに中性子を吸収する物質が入れてあり、それらの形状を工夫することで、中性子のもともとの速度に対する感度を調整しています。なんのためにそんなことをしているのかというと、この速度(エネルギー)と感度の関係を、ちょうど、第5章でお話しした中性子の放射線加重係数と同じになるようにすることで、計測器の信号が、そのまま、加重係数をかけあわせた、等価線量に比例した値を表示するようにしているのです。ですから、「線量当量計」と呼ばれています。このポリエチレンの塊で丸々と肥えた仔豚ちゃんは結構重く、画像のもので10kg近くあります。

個人線量計

個人線量計

 ここまででご紹介したのは、その場所の線量率や、物品の汚染を測定する計測器でしたが、個人線量計は、その名のとおり、個人で着用して、着用期間中にその人が浴びた放射線量の累計を表示するものです。これまでご紹介した計測器が瞬間値を測るのに対して、こちらは累積値を測ります。
 中身は半導体検出器です。放射線だけでなく電磁波にも反応しますので、携帯電話のとなりに置いておくと、どんどんカウントしていきますから、要注意です。われわれの実験施設を見学に来られた方々が放射線管理区域に入られるときにはこれを身に付けてもらうのですが、携帯電話と同じポケットには入れないでください、と注意を促しています。また、個人線量計は、男性の場合は胸に、女性の場合は腹部(子宮の辺り)に着用するのが基本です。

OSLバッジ

OSLバッジ

 上の画像は、OSLバッジと書かれていますが、実際には複数のパッシヴな線量計が入ったものです。OSLはそのうちのひとつです。以下ではOSLについてお話ししましょう。
 OSLは、先ほどと同じく個人線量計なのですが、これまでご紹介したものと違って完全にパッシヴなもので、電源を用いず、数値も表示されたりはせず、一定期間(画像のものは3ヶ月間)事業所内でずっと着用していて、その後でフィルムの現像のようにしてその期間内の累積被曝量を測定するものです。かつては「フィルムバッジ」と言って、そのものずばりのフィルムを使い、放射線がフィルムを通過する際に黒化することを利用し、その黒化の度合いで被曝量を測定していました。OSL(Optically Stimulated. Luminescence)は、放射線を受けるとOSL素子(少量の炭素を添加した酸化アルミニウムでできています)の中の電子が放射線から与えられたエネルギーを蓄積したままで結晶中に閉じ込められ(静止しているという意味ではありません)、その素子に特定の波長の光を当てると、蓄積したエネルギーに比例した量の蛍光を出す、という現象を利用したものです。第6章でお話しした放射線業務従事者の被曝量というのは、この個人線量計の測定値をもとにしています。われわれの実験施設では、男性は3か月毎、女性は1か月ごとに交換して測定します。

空間線量の測定

 それでは、これらの測定器を使って、身の回りの放射線を測定することを考えてみましょう。
 先ずは、自分が活動している場所の放射線量を測定します。作業や生活など、何らかの活動をする場合に、ある時間はそこにいなければなりませんから、その間にどれくらい被曝するのかを知っておく必要があります。ある場所(空間)での放射線量率を、空間線量(率)と呼びます。われわれ物理学者がふつうに「線量」と呼ぶときは、「線量率」のことを指す場合が多いです。
 測定器には、通常、電離箱を使います。より高い感度が必要な場合、つまり放射線量が低い場合には、NaIシンチレーション検出器を使います。

 ある区域について、こういった放射線量を系統的に測定し、いわば「放射線量地図」のようなものをつくることを、われわれは「サーベイ」と呼んでいます。surveyとは測量を表わす言葉でもありますが、われわれはこうして放射線業務を行うエリアに対してサーベイを実施し、まさに測量のように各地点の放射線量の「地図」をつくります。どのエリアがどれくらいの放射線量か一目でわかるようにして、それを頭に入れながら業務を行うのです。そうすれば、どの場所に長時間いてはいけないか、逆に言うと長時間いるならどの場所がよいのか、すぐにわかるからです。そして、放射線量が高い場所については、その「地図」に記入するだけでなく、現地に放射線量を書いた紙を貼って、注意を促します。

 ある場所の空間線量(率)が測定できたとして、そこに滞在する時間をかければ、滞在中の被曝量が見積もれます。これがふだんの生活空間で、ずっとそこにいることが前提の場合には、時間、日数、を順にかけていけば、その期間の総被曝量が見積もれます。
 たとえば、生活の場、つまり自分がずっといる場所が0.2μSv/hの空間線量率であったとすると、年間被曝量は、0.2 × 24 × 365 〜 2,000で、2mSvとなります。そこに1年間ずっといれば、ですが。こういう大雑把な計算でよければ、もっと簡単に見積もることもできます。1年間は、24 × 365 〜 8,760時間ですから、だいたい10,000時間と考えると、4けた分、小数点の位置をずらすだけです。

空間線量率から年間被曝量を求める

 また、場所ではなく、物品から出ている放射線量を測定する場合は、その物品に測定器を接触させ、オンコンタクトで測定します。

汚染検査の方法

 次に、汚染の度合いを測ることを考えましょう。場所であればそこでなにかをするときにどれくらい気をつけなければならないか、どんな防具や準備が必要か、生活の場が汚染されていないか、物品であればそれをそこから持ち出してもよいか、などを判断するために、汚染検査は必要です。

 汚染の検査には、ふつう、ガイガー=ミュラー計数管を使います。ですから出てくる値はBqです。方法としては、直接法と間接法とがあります。
 直接法は、検査の対象(床とか、物品とか)に直接、測定器の測定端子を当てて測る方法です。汚染の度合いはふつう単位面積あたりの放射能、Bq/cm2で表わします。ですから、測定器に表示された値を、測定端子の表面積で割って求めます。例えば先ほどの画像のガイガー=ミュラー計数管だと、測定端子の表面積は20cm2ですから、測定値が68Bqだった場合、その対象の表面の汚染は、68Bq / 20cm2 〜 3.4Bq/cm2となります。
 間接法は、対象物を布、たとえばサッサなどでふき取ったあと、そのサッサを測定器の測定端子に押しあて、測定値を読みます。このとき重要なのは、ふき取った面積と、ふき取ることで、どれくらいの放射性物質がサッサについたか、その割合です。ふき取る面積は、わかりやすい値にすることが望ましいのですが、われわれの実験施設では、床などの平らなものでは、10cm×10cm、つまり100cm2の範囲をふき取ります。そして、対象物からサッサに移った放射性物質の割合は10%と考えます。したがって、測定値が24Bqの場合、もとの対象物の表面の汚染は、24Bq / 0.1 / 100cm2 〜 2.4Bq/cm2となります。

 汚染の検査のときに気をつけることは、測定場所の放射線です。つまり、対象物以外の放射線量が高いと、測定器はそちらのほうを検出してしまって、肝心の汚染が測れないからです。そのために間接法があります。対象物を周囲の放射線量が低い場所に移動できない場合(床とかは移動できないため)、ふき取ることで布などに汚染を移し、その布を放射線量が低い場所まで持っていって、測定するのです。

内部被曝の測定

 外部被曝の場合は、これまでお話ししてきたさまざまな方法で測定することができますが、身体の中の被曝や汚染は、どうやって測ればよいでしょうか。
 先ず、γ線の場合は、身体の中に放射性物質があっても、身体の外まで簡単に突き抜けてきますから、身体の外側に測定器を当てれば測定できます。本章でご紹介したハンディな測定器で少しずつ全身を測っていってもよいのですが、世の中、必要なものはつくられるもので、対象の人が立ったり座ったり寝転んだりした状態で、機械のほうが勝手に全身を測定してくれる装置が広く使われています。それをホールボディカウンターと呼びます。われわれの実験施設と同じ敷地内にある日本原子力研究開発機構にもあって、僕も、内部被曝の可能性がある作業をするときには、作業前と作業後に測定してもらって、その比較で、作業による内部被曝量を求めます。
 いっぽう、α線やβ線は体内にあっても外から測定できません。そこで、身体からサンプルを採取してそれを測定し、体内の被曝量を見積もる方法をとります。その一例がバイオアッセイ法で、尿を採取し、その放射線量を測定します。われわれの実験施設では、この方法とホールボディカウンターとを併用して内部被曝量を見積もっています。
 日本原子力研究開発機構のこういった測定器は、福島第一原子力発電所事故のときにも、一般の住民の方々の内部被曝量を測定するのに活躍しました。

較正の大切さ

 ところで、放射線の測定器は、どれもとても高価です。たとえば画像のものだと、電離箱で400,000yen、NaIシンチレーション検出器で700,000yenくらいしました(購入したのは2010年ごろです)。なぜこんなに高価なのかというと、製品というものは量産するから安価になるのであって、放射線測定器などという市場が限られるニッチなものは少数しか生産されないから、というのが理由のひとつです。
 でも、ぐぐればもっと安いものがあるのに、と思われるかも知れません。しかし、われわれはそういうものを安易に購入したりしません。その理由は、ちゃんと較正されているかどうかわからないからです。
 機械というものは、とりあえずなんらかの値は出すものです。ところが、それが信用できるかどうかはちゃんと人間が吟味する必要があります。測定器などが出荷されるときや、使用される前などに、量がはっきりしているもの(放射性物質であれば放射線量や放射能がはっきりとわかっているもの)を測定してみて、その測定器が正しい値を表示するかを調べたり、そうでなければ正しい値を出すように調整したりするのが信頼できる機械というものです。これを較正と呼びます。

較正の大切さ

 次の図をごらんください。左は温度計、右はそれからパネルを外したものです。パネルを外しただけですので、温度によって体積変化を起こす測定器としてのコアな部分はまったく変わりはありません。しかし、右はもはや温度計として機能しないことがおわかりでしょうか。赤い部分がどのような値を示そうと、それが何度に相当するのか、まったくわからないからです。
 較正というのは、この右の状態の測定器に、人間が正しく値を読み取れるパネルを取りつけ、左の状態にすることです。
 特に、測定器は、それが出した値が基準となって活用されるため、この較正がどれくらいきちんと行われているかで、その測定器の価値が決まります。本章でご紹介した測定器が高価なのは、きちんと手間をかけて較正をしているからです。
 なにかよくわからない通信販売で安く測定器を買ったとして、それに較正の証明書が附属しておらず、にもかかわらず使用者のほうで較正もしないのであれば、その測定器がどんな値を出そうとも、まったく信用に値しません。パネルが正しく取り付けられていない温度計を使うようなものです。

第7章まとめ

  • 空間線量や物品からの放射線量を測定するには、電離箱やNaIシンチレーション検出器を使う
  • 汚染を検査するには、ガイガー=ミュラー計数管を使う
  • ある期間の個人の総被曝量を測定するには、個人線量計を使う
  • 空間線量率に滞在時間をかければ、その間の被曝量が見積もれる
  • 内部被曝の測定には、ホールボディカウンターとバイオアッセイ法を併用する
  • 放射線の測定器は、ちゃんと較正されたものを使うこと
参照・注
  1. (1) 『東京電力株式会社福島第一原子力発電所の事故に係る1号機、 2号機及び3号機の炉心の状態に関する評価について』原子力安全・保安院、2011.6.6

※通常、引用論文は、「著者名、雑誌名、巻数、ページ数、年」、の順で書きますが、本サイトでは、みなさんがぐぐりやすいよう、著者名の代わりにタイトルを書いてあります


著者プロフィール

多田将 (ただ・しょう)

1970年大阪府生まれ。京都大学理学研究科博士課程修了。京都大学化学研究所非常勤講師を経て、現在、高エネルギー加速器研究機構・素粒子原子核研究所、准教授。

著書『すごい実験』『すごい宇宙講義』『宇宙のはじまり』『ミリタリーテクノロジーの物理学<核兵器>』『ニュートリノ』。