電離箱サーベイメータ測定値のバラツキと応答性

測定値から見る放射線測定器の性能
第 5 報電離箱サーベイメータ測定値のバラツキと応答性
非破壊検査株式会社
藪下延樹
1．はじめに
自動車の運転免許取得のための公安委員会指定の学科講習で、昔は「自動車の構造」
があり、我々はエンジンの構造等を勉強したが、現在では「自動車の構造」はなくな
り、もっと実用性を重視した自動車の順法的な「使用方法」を勉強するようになった。
つまり、原理・構造から一歩進んで、ユーザー観点から、機械をどう使いこなすか、
その機械の性質を知り、分析して性能を最大限生かす時代となった。放射線測定器も
同様で、
「敵を知り己を知らば百戦危うからず」を念頭に敵・放射線測定器の性質・性
能を分析する。この第 5 報では、電離箱サーベイメータ（以下、測定器）のバラツキ・
再現性と応答性について実測データを基に分析する。
2．使用装置
実験で使用する装置の主な仕様と写真を表１に示す。
表１使用装置の主な仕様と写真
アナログ
メーカ名／型番
表示電離
測定範囲（ 1cm
Aloka／ ICS-311
1∼ 10,000μSv/h（手動レンジ）
箱（以下、線量当量率）
アナ電
時定数・応答時
時定数 300μSv/h レンジ以下：
離）測定
間
10 秒以下
器
1,000μSv/h レンジ以上： 1 秒以
下
測定値のアナロ
直流 0∼ 100mV／レンジ
グ監視出力
ディジタ
メーカ名／型番
Aloka／ ICS-321
ル表示電
測定範囲（ 1cm
1μSv/h∼ 10,000μSv/h
離箱（以
線量当量率）
（レンジ切換えなし）
下、デジ
時定数・応答時
応答時間 5 秒以下（固定値、時
電離）測
間
定数の記載なし）
定器
測定値のアナロ
直流 0∼ 100mV／ 10,000μSv/h
グ監視出力
(対数 4 デカード )
シンチレ
メーカ名／型番
Aloka／ TCS-171B
ーション
測定範囲（ 1cm
1μSv/h∼ 10,000μSv/h（手動レ
（以下、
線量当量率）
ンジ）
シンチ）
エネルギー補償
エネルギー補償形
時定数・応答時
時定数切換え： 3 / 10 / 30 秒
測定器
間）
測定値のアナロ
直流 0∼ 10mV／レンジ
1
グ監視出力
ガンマ
線源の種類／線
（以下、）
源量
60
Ｃｏ／ 5MBq
γ )線源
エックス
メーカ名／型番
非破壊検査㈱／ NDIC−
X75 < 3 > < 4 > < 5 >
（以下、
Ｘ）線発
焦点寸法／本体
生器
重量
（コック
運転率／暖気運
クロフト
転
式）
ｋ V、ｍ A、油温
個別にリアルタイムにアナロ
度の監視出力
グ電圧出力
データロ
メーカ名／型番
キーエンス／ NR-2000
ガー
サンプリング密
Max400kHz／ 14bit
0.7ｍｍ／ 3.7ｋｇ
100％／不要
度／分解能
3．実験条件
実験配置は図 1 に示した遮へい箱内のＸ線発生器 NDIC− X75
からの直斜線を鉛
板で遮へいして約 400ｍｍ以上離した電離箱（ ① デジ電離及び ② アナ電離）ならびに ③
シンチ測定器プローブからの出力を遮へい箱外のシンチ測定器本体で測定した。測定
条件は管電圧 (以下、ｋ V)、管電流 (以下、ｍ A) を 39ｋ V、1.16ｍ A で固定して、測定
値の 1cm 線量当量率（以下、線量）の変化を測定した。サンプリングデータは表１の
｢測定値のアナログ監視出力｣をデータロガーで読み取った。測定項目別サンプリン
グ密度を表 2 に示した。データの平均化は表 2 に示したサンプリング時だけで、積極
的な平均化は実施しない。
測定器プローブ
鉛板
X線発生器焦点
センサー中心
400mm
図 1 遮へい箱とＸ線発生器・測定器プローブの配置図
表 2
測定項目
バラツキ測定
測定項目別サンプリング密度
サンプリング密度
200Hz
平均化
128 データ平均値をサンプリング
2
128 データ平均値をサンプリング
500Hz
応答性測定
4．測定値のバラツキ
4．1 γ線量時と X 線量時のバラツキ
アナ電離 ICS-311 で
6 0 Ｃｏ γ 基準（一定値）線量を段階的に増加させて基準線量の
測定結果（縦軸対数表示）と測定値のバラツキを標準偏差値で図 2 に示した。図 2 に
は更に、応答性の測定（ X 線使用）データを γ 線量時と X 線量時のバラツキ結果を比
較のために重ねた。図 3 は図 2 の γ 線と X 線の基準線量時を縦軸アナログ表示で拡大
表示した。
電離箱 ICS-311 γ線
scinti TCS-171 γ線
100
電離箱ICS-311 X線
scinti TCS-171 x線
図3に部分拡大図
線量率（μSv/h)
10
1
0.1
0.1μSv/h
1μSv/h
2μSv/h
10μSv/h
20μSv/h
100μSv/h
0.01
0
10
20
30
40
50
60 70 80 90
測定時間(sec)
100 110 120 130 140 150
標準偏差
図2a 線量率レベル毎の測定値の変動
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.1μsV/h 1μsV/h
2μsV/h 10μsV/h 20μsV/h
100μsV/
h
電離箱 ICS-311 γ線 0.003677 0.11865 0.074739 0.193346 0.264817 1.462569
0.185667
電離箱ICS-311 X線
scinti TCS-171 γ線 0.001813 0.015891 0.019138 0.127272 0.147954
0.177695
scinti TCS-171 X線
図2b 線量率レベルと測定値の変動（標準偏差）
3
線量率（μSv/h)
電離箱 ICS-311 γ線
scinti TCS-171 γ線
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
電離箱ICS-311 X線
scinti TCS-171 x線
シンチ γ
シンチ X
電離箱 γ
電離箱 X
シンチ γ
70
80
90
電離箱 γ
100
測定時間(sec)
110
120
130
図3 線量率レベル毎の測定値の変動（10∼20μSv/h部拡大）
4．2 測定器固有のバラツキ
レンジ切換のある測定器を最適な
4
定格値）に設定しないと、S/N 比（測
3
定値／定格値）が低下してバラツキ
が大きくなる。この関係を図 4 に初
期不平衡のある例で示した。予想さ
れる最大測定値を定格値に近くする
と飽和の危険性を生じるが、S/N 比は
大きい。一方、飽和の危険性を避け
て測定レンジを小さくすると S/N 比
測定値
い（本質的に矛盾））レンジ（以下、
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
測定値
S/N比（測定/定格値）
5
（大きな感度で、測定値が飽和しな
2
1
0
0
1
2
3
測定レンジ
図4 レンジによるS/N比の変化
S/N比（測定/定格値）
（１）感度（レンジ）切換によるバラツキ
4
は小さくなりバラツキが大きくなる。
（２）測定値大小によるバラツキ
（１）の感度設定を最適に行っても、なお、測定値の大きさによるバラツキが原理
的に生じる。また、ディジタル表示の場合には、単一レンジしか存在しない場合がある。
基準線量に同一割合（％）の変動を与えると、測定するレンジによりバラツキが異な
る。このバラツキをシュミレーションにより定量評価する。
表 3 の a. はシュミレーション条件、 b.はその結果を示した。表 3 の基準線量に＋
10％の線量を強制的に加算（強制加算）した時の表示変動率を b.に示した。
表 3 の基準線量を測定するためには表 3 の a に示したように、測定値の飽和を避
け、1 段大きなレンジで測定する必要がある。その場合、例えば、表 3 のｂデジ電離
4
ICS-321 では実変動 10％に対して、表示変動率は 1.0％と小さな値を取る。したが
って、この表 3 のｂの表示変動率が小さな値を取るほどバラツキが大きいと考え
られる。表 3 の関係を図 5 に図示した。また、図 5 では基準線量に対する測定レン
ジの割合も示した。図 5 から測定範囲の非常に大きいデジ電離 ICS-321 は基準線量に
対する測定レンジの割合が 1μSv/h で 0.01％と非常に小さい、つまり、高倍率の増幅を要
することが分かった。
表 3
＋ 10％の線量率を強制加算した時の表示変動率
（シュミレーション結果）
a. シュミレーション条件：
b. シュミレーション結果：
測定値と基準線量を測定するレンジ
基準線
強制加算 10％に対しての表示変動率
(測定値 μSv/h／使用レンジ μSv/h)
量
μSv/h
(強制加算 10％／使用レンジ )
アナ電離
デジ電離
シンチ
アナ電離
デジ電離
シンチ
ICS-311
ICS-321
TCS-171
ICS-311
ICS-321
TCS-171
1
1/10
1/10000
1/3
1.0%
1.0%
3.3%
10
10/30
10/10000
10/30
3.3%
1.0%
3.3%
100
100/300
100/10000
3.3%
1.0%
a.基準線量／測定レンジ
40%
35%
強制加算値10％
30%
25%
20%
15%
10%
a.基準線量/測定レンジ
ｂ.加算10％に対する表示％
b.加算10％に対しての表示％
11%
10%
9%
8%
7%
6%
5%
4%
3%
2%
1%
0%
5%
1μSv/h10μSv/100μSv1μSv/h10μSv/100μSv 1μSv/h10μSv/100μSv
アナ電離ICS-311
デジ電離ICS-321
0%
シンチTCS-171
b.加算10％に対しての表 1.0% 3.3% 3.3% 1.0% 1.0% 1.0% 3.3% 3.3%
示％
a.基準線量／測定レンジ 10.00% 33.33% 33.33% 0.01% 0.10% 1.00% 33.33% 33.33%
図5 強制加算に対する表示値の反映度
5．応答性の測定
応答性の測定ではサンプリング速度が非常に速いために、 1／ 1000 秒レベルで操作
するシーケンサーを用いて、Ｘ線発生器 NDIC − X75 のＸ線発生を ON(UP) 、
OFF(DOWN)し、運転状態を管電圧（ kV）、管電流（ mA）でモニターした。使用した
全測定器のＸ線発生 UP、DOWN 時の線量変化及び kV と mA 変化の全体図（ 1 回目）
を図 6a に示した。また、全測定器の線量及び kV と mA 変化の再現性全体図（ 1∼ 5
回）を図 7∼ 図 11、再現性結果を表 4 に示した。
Ｘ線運転の平衡状態になる時間は図 6b から kV は UP 時約 0.08 秒、ｍ A は約 1.93
秒間掛かる。一方、DOWN 時の平衡状態になる時間は図 6c から kV、ｍ A 共に約 0.08
秒であった。線量変化は当然、このＸ線運転の影響を受けるので、応答性の測定結果
5
はＸ線発生 DOWN 時の信頼性が高い。表 4 の再現性結果から、 UP、 DOWN 時の線
量変化を含めた電離箱の再現性は悪い。
次に、測定器の応答性（時定数）を図 7∼ 9 から第 1 < 1 > 、2 報 < 2 > と同様に測定した結
果を図 12 に示した。
表 4
種類
全測定器及び kV と mA の測定・再現性結果
型番号
図番
アナ電離
ICS-311
図 7
デジ電離
ICS-321
図 8
シンチ
TCS-171
管電圧
管電流
25ICS-311
再現性結果の概要
測定
X 線 UP 及び DOWN 時
X 線照射時
UP 及び DOWN 時は非常に
比較的良好
悪い
UP 時は非常に悪い。
X 線照射時の変動は大きく
DOWN 時は良好
悪い。再現性もない。
図 9
良好
良好
kV
図 10
良好
良好
mA
図 11
ICS-321(×0.1)
TCS-171(×10)
良好なるも、 5 回目の UP
良好
時約 0.25 秒の遅れあり
kV(×0.1)
ICS-311
kV(×0.1)
mA(×10)
ICS-321(×0.1)
mA(×10)
TCS-171(×10)
14
20
12
線量率μSv/h
10
線量率μSv/h
15
10
8
TCS-171
6
kV
4
5
mA
2
ICS-321
0
0
0
5
10
15
20
25
30
35
経過時間sec
図6a 電離とシンチの応答性(1回目)
ICS-311
kV(×0.1)
25
ICS-321(×0.1)
mA(×10)
40
45
1
50
1.5
-2
2
経過時間sec
2.5
ICS-311
3
図6a 電離とシンチの応答性(1回目)
TCS-171(×10)
16
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目
14
20
12
線量率μSv/h
TCS-171
線量率μSv/h
15
ICS-311
10
10
8
6
ICS-321
4
5
mA
2
kV
0
0
30.9
31
31.1 31.2 31.3 31.4 31.5 31.6 31.7 31.8 31.9
経過時間sec
図6a 電離とシンチの応答性(1回目)
0
32
6
5
10
15
20
25
30
35
40
経過時間sec
図7 ICS-311アナ電離の応答・再現性
45
50
14
1回目
2回目
3回目
4回目
28
5回目
12
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目
23
線量率μSv/h
線量率μSv/h
10
8
6
4
2
18
13
8
3
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
-2 0
50
5
10
15
経過時間sec
図8 デジ電離ICS-321応答性・再現性(1-5回目)
4.5
1回目
2回目
3回目
4回目
20 25 30
経過時間sec
35
40
45
50
図9 シンチTCS-171応答性・再現性(1-5回目)
14
5回目
4
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目
12
線量率μSv/h
3
2.5
2
1.5
1
10
8
6
4
2
0.5
0
0
0
5
15
20
25
30
経過時間sec
図10 NDIC-X75 kV再現性(11移動平均)
時定数sec
線量率μSv/h
3.5
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1回目
2回目
3回目
4回目
5回目
平均値
10
ICS-311
電離箱
4.0
2.3
2.1
1.8
2.2
2.5
ICS-321
電離箱
ＵＰ時
2.5
2.6
3.3
3.0
3.6
3.0
35
0
TCS-171
シンチ
3.0
2.9
3.0
3.1
3.3
3.0
5
15
20
25
30
経過時間sec
図11 NDIC-X75 mA再現性(11移動平均)
ICS-311
電離箱
11.0
7.0
13.5
17.3
5.3
10.8
図12 時定数測定結果
7
10
ICS-321
TCS-171
電離箱
シンチ
ＤＯＷＮ時
0.3
0.4
0.4
0.5
0.4
0.4
2.6
2.7
2.7
2.5
2.6
2.6
35
6. まとめ
(1)電離箱測定器のバラツキはシンチ測定器より相当大きい（図 2b）。この理由は電離
箱測定値の出力（極微量の電流値）が原理的に小さいため元々の S/N 比が小さいため
と考えられる。
(2) デジ電離 ICS-321（レンジ切換えなし、対数回路）は測定範囲が広く、バカチョ
ンタイプの全自動で、非常に使いやすい。ところが、図 8 の経時測定値は与えた線量
値が一定（同一条件の他の測定値図 7 及び図 9 参照）にも拘らず大幅な変動や低下を
示している。この理由はレンジ切換えをしないため測定範囲が広く、高増幅を行って
いるため増幅回路の温度依存性等の影響が出たものと考えられる。このことは表 3ｂ
の ICS-321 表示変動率が最小値を取っていること及び図 5 の a.基準線量／測定レンジ
が極小値を取っていることからも明らかである。 (4.2.(2) 項 )。
(3)図 12 の時定数測定結果からアナ電離 ICS-311 では線量 DOWN 時に再現性がなく
大きなバラツキを示した。また、第 1 報 < 1 > で示したＧＭ測定器の時定数測定結果と同
様に線量 DOWN 時が UP 時と比較して約 5 倍の大きな値を示している。メーカの仕
様では UP、 DOWN の区別なく｢300µSv/h レンジ以下： 10 秒以下｣となっている。
(4) 図 12 の時定数測定結果からデジ電離 ICS-321 では線量 UP、 DOWN 時に逆の傾
向を示した。デジ電離 ICS-321 では線量 UP 時が DOWN 時と比較して約 7 倍の大き
な値を示している。この時の再現性は比較的良い。
参考文献
<1>藪下延樹、辻本忠：測定値から見る放射線測定器の性能
第 1 報ディジタル
測定値のバラツキと応答性、 JSNDI 放射線分科会資料 10428、（ 2009）
<2>藪下延樹、辻本忠：測定値から見る放射線測定器の性能
第 2報
測定値のバ
ラツキと応答性、JSNDI 第 7 回放射線による非破壊検査評価シンポジューム講演概
要集 pp.87∼ 92、（ 2010）
<3>藪下延樹：” 手のひらサイズ ” Ｘ線装置の開発、JSNDI 平成 13 年度秋季大会講
演概要集、（ 2001）
<4>藪下延樹、大岡紀一：強力低エネルギーＸ線源による像質の改善、 JSNDI 資料
10344、（ 2002）
<5> JSNDI：放射線の安全取扱い 2009、 pp.31∼ 34、 (2009)
8

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