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電離箱サーベイメータ測定値のバラツキと応答性

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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
C o / 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
0.7m m / 3.7k g
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 400m m 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 C o 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 G M 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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