放射線計測学
放射線に関する量と単位、検出器の原理と使い分け、計数の統計、標準計測法による線量計測までを扱う科目である。
放射線に関する量と単位
- フルエンス: 単位面積を通過する粒子数。単位は m^-2。
- 照射線量: 空気中で光子が生じさせる電離電荷。単位は C/kg。光子のみに定義され、エネルギーフルエンスに比例し、制動放射による電離は含めない。
- カーマ: 単位質量あたりに光子・中性子から荷電粒子へ移行した初期運動エネルギー。単位は J/kg（Gy）。間接電離放射線に定義される。
- 吸収線量: 単位質量あたりに付与されたエネルギー。単位は J/kg（Gy）。あらゆる放射線に定義される。
- 質量阻止能: 荷電粒子の単位質量厚さあたりのエネルギー損失。単位は J・m^2・kg^-1。
- 減弱係数: 質量減弱係数 μ/ρ ＞ 質量エネルギー転移係数 μtr/ρ ＞ 質量エネルギー吸収係数 μen/ρ。非荷電粒子（光子）に定義される。
- W値: 気体中で1イオン対を生成するのに消費される平均エネルギー。
国試ポイント: 量と単位・対象放射線の組合せが頻出。「照射線量は光子のみ」「カーマは間接電離放射線」「阻止能は荷電粒子」の対応を確実に。
荷電粒子平衡と空洞理論
光子入射後、二次電子フルエンスは深さとともに増加し（ビルドアップ領域）、やがて荷電粒子平衡が成立する。平衡下では吸収線量は衝突カーマに等しい。制動放射のエネルギーはカーマに含まれるが吸収線量には寄与しない。
Bragg-Gray の空洞理論は、媒質中の小さな空洞の電離電荷から媒質の吸収線量を求める理論である。
- 空気空洞の吸収線量: D_air = (Q/m)・(W/e)
- 水の吸収線量: D_water = D_air ×（水/空気の質量衝突阻止能比）
- 成立条件: 空洞が二次電子の飛程より十分小さい、入射光子が空洞内で相互作用しない、二次電子フルエンスを乱さない、阻止能比がエネルギーで大きく変化しない。
国試ポイント: 変換に用いるのは「質量衝突阻止能比」であり、質量エネルギー吸収係数比ではない点が問われる。
気体検出器
印加電圧の上昇に伴い、再結合 → 電離箱 → 比例計数管 → GM計数管の順に動作領域が変わる。ガス増幅（電子なだれ）が始まるのは比例計数管領域からである。
- 電離箱: 生成イオン対をガス増幅なしで収集。線量測定の標準器で、半価層測定や漏洩線量測定に適する。温度気圧補正が必要。
- 比例計数管: パルス波高がエネルギーに比例。PRガスを封入し、α線とβ線を弁別できる。BF3 や 3He を封入すれば中性子検出用。光電子増倍管は用いない。
- GM計数管: 出力波高がエネルギーに依存せず、エネルギー弁別はできない。分解時間による数え落としがあり、観測計数率は真の計数率より低くなる。γ線サーベイや表面汚染検査に用いる。
国試ポイント: GM計数管の絶対測定に必要な補正は幾何学的効率・自己吸収・数え落とし・後方散乱で、イオン再結合補正は不要（電離箱の補正）。
シンチレーション検出器と半導体検出器
- NaI(Tl): 発光を光電子増倍管で検出。潮解性があり密封が必要。ウェル型はγ線試料測定に用いる。
- 光電子増倍管: 光電陰極で光を光電子に変換し、10〜15段のダイノードで印加電圧により増幅する。
- その他: ZnS(Ag) はα線、LiI(Eu) は中性子、プラスチックはホールボディカウンタ、液体シンチレーションは低エネルギーβ線に用いる。
- 半導体検出器: 固体中の電子・正孔対（電離電荷）を直接電気信号として検出。光電子増倍管は不要で、エネルギー分解能が非常に高い。高純度Ge検出器はγ線スペクトロメトリに最適だが、冷却が必要で、NaI(Tl)より検出感度は低い。放射線損傷を受ける。
国試ポイント: Ge と NaI(Tl) の比較は分解能・感度・冷却の3点で問われる。分解能は Ge、感度は NaI が優れる。
| 検出器 | 検出媒体・原理 | エネルギー分解能 | 主な用途・特徴 |
|---|---|---|---|
| 電離箱 | 気体・ガス増幅なしでイオン対を収集 | 波高が小さくスペクトルには不向き | 線量測定の標準器・半価層測定・温度気圧補正が必要 |
| 比例計数管 | 気体・ガス増幅で波高がエネルギーに比例 | 中程度 | α/β弁別・BF₃／³He封入で中性子検出 |
| GM計数管 | 気体・全電離で波高がエネルギーに依存しない | なし（弁別不可） | γ線サーベイ・表面汚染検査・分解時間による数え落とし |
| シンチレーション検出器（NaI(Tl)） | 発光を光電子増倍管で検出 | 中程度（半導体より劣る） | γ線測定・感度が高い・潮解性 |
| 半導体検出器（高純度Ge） | 固体中の電子・正孔対を直接収集 | 非常に高い（最良） | γ線スペクトロメトリ・冷却が必要・感度はNaI(Tl)に劣る |
積算型線量計・個人被ばく線量計
- 熱ルミネセンス線量計（TLD）: 加熱で発光を読み取る。再使用にはアニーリングが必要。LiF は組織等価性が高くエネルギー依存性が最小。
- 光刺激ルミネセンス線量計（OSL）: 光刺激による発光を読み取る。繰り返し読み取りが可能。
- 蛍光ガラス線量計: 照射で蛍光中心が生成され、紫外線励起の蛍光を読み取る。繰り返し測定でき、長期の積算線量測定に適する。
- ラジオクロミックフィルム: 空間分解能が最も高い。現像不要で明室で扱えるが、温度依存性・照射後の経時発色・読み取り方向依存性があり、線量は直接読み取れない。
- CR-39: 荷電粒子の飛跡をエッチングで可視化する固体飛跡検出器。
- フリッケ線量計: 鉄イオンの酸化を利用する化学線量計。個人被ばく線量計には用いない。
その場で直接読み取れるのは電子式ポケット線量計である。Sn や Al のフィルタの併用はエネルギー依存性の補正が目的。個人線量当量の校正には ICRU スラブファントムを用いる。
国試ポイント: 「発光を利用する検出器」「光電子増倍管を用いる検出器」（OSL・蛍光ガラス・シンチレータ）の弁別が定番。
計数の統計
放射線の計数値はポアソン分布に従い、計数値 N の標準偏差は σ = √N で与えられる。
- 計数率: 時間 t で N カウントなら n = N/t、標準偏差は √N/t。
- 正味計数率の標準偏差: σ = √(Ns/ts^2 + Nb/tb^2)（分散の和の平方根）。
- ガウス分布では μ±σ に入る確率は約68%。
- 変動係数 CV = 標準偏差／平均値。
- 数え落とし: 分解時間 τ、計数率 n のとき数え落とし割合はおよそ nτ。
- サーベイメータの指示値は 1−e^(-t/τ) で真値に近づく（読み取りは時定数の数倍待つ）。
国試ポイント: √N の計算問題が頻出。正味計数率では測定時間の違いを分散に反映させる点に注意。
標準計測法による水吸収線量計測
60Co γ線で水吸収線量校正定数の値付けを受けた電離箱に、線質変換係数 kQ（線質による感度変化の補正）を乗じて水吸収線量を求める。
- 線質指標: 光子線は TPR20,10、電子線は R50（校正深の計算に必要）、陽子線は残余飛程 Rres。
- 基準条件: 水ファントムを用い、SSD法またはSAD法で設置する。光子線ではファーマ形（円筒形）電離箱を用いる。
- 補正係数: 温度気圧補正 kTP、イオン再結合補正（二点電圧法）、極性効果補正。擾乱補正係数は空洞補正係数と変位補正係数からなる。
- 実効中心（電子線）: 円筒形は幾何学的中心から 0.5r 線源側、平行平板形は空洞内前面。
- 小照射野では側方電子平衡が成立しにくく、小さい電離空洞と出力係数の実測が必要。
国試ポイント: kTP は温度に比例・気圧に反比例。読み間違いが過大・過小どちらに働くか整理しておく。
頻出ポイント
- 照射線量は C/kg・光子のみ、吸収線量は J/kg（Gy）・全放射線、質量阻止能は荷電粒子のみ。
- μ/ρ ＞ μtr/ρ ＞ μen/ρ の大小関係。
- ガス増幅が始まるのは比例計数管領域。GM計数管はエネルギー弁別不可で、分解時間による数え落としがある。
- Ge 半導体検出器は分解能が最高だが冷却が必要で、感度は NaI(Tl) に劣る。NaI(Tl) は潮解性。
- TLD は加熱、OSL は光刺激、蛍光ガラスは紫外線励起で読み取る発光利用の積算型。
- 計数値の標準偏差は √N。正味計数率の誤差は分散の和の平方根で合成する。
- 荷電粒子平衡下では吸収線量＝衝突カーマ。Bragg-Gray 理論では質量衝突阻止能比で空気から水へ変換する。
- 半価層測定は小型電離箱を用い、吸収体と検出器は離し、照射野は絞る。
国試での出題（年度別）
この科目はデータのある年度で計 95 問。番号をタップで問題へ。解いた記録は緑／赤の枠で残り、右上の青点は解説ありです。