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α線を「測れるだけ」では不十分
ラドンは不活性ガスであり試薬を使った化学的な操作での検出や測定を行うことができないことから、空気中に存在するラドン濃度を正確に把握するにはラドンから飛び出してくるα線を測る必要があります。
そこでα線を測定するための放射線検出器を使用するのですが、私たちが生活している身の回りの空間にはラドンα線の1,000倍規模の強度で宇宙線μ粒子や環境γ線が飛び交っているため、ラドン濃度を測るための測定器は単に「α線が測れる」のではなく「ラドンのα線と他の放射線を明確に区別することができる」性能が求められます。
たとえ「ラドンのα線が測れる」と謳い文句が掲げられていたとしても、電離箱やガイガーカウンターのようなガス検出機、NaI(Tl)シンチレーション検出器や液体シンチレーションのようなシンチレーション検出器では宇宙線や環境γ線よりも圧倒的に強度の低いラドンのα線を区別することが原理的にできません(詳しくは別ページで解説)。
本ページではα線を測定することが可能な検出器の中でラドンと他の放射線を区別できる性能を持つものとして霧箱、写真フィルム型検出器、硫化亜鉛(ZnS)シンチレーション検出器の３種類について解説します。
ラドンα線測定に適した３種類の測定器
①霧箱
霧箱は19世紀末に発明された世界最古の放射線測定器と言える装置です。
構造は非常に単純で底部をドライアイスなどで−40℃〜−50℃に冷やした箱内に過飽和状態となったエタノール蒸気を充満させ、その中を荷電粒子が通過した時の飛跡が「白い雲」として現れる現象を利用しています(霧箱の詳しい構造や動作原理は次ページで解説)。
1950年代まで霧箱は放射線実験の第一線に使用されていましたが、α線のエネルギーの大きさや時間を測定できず他の測定器と一緒に併用できないという欠点があったため次第に研究分野では使われなくなりました。最近では教科書に載っていたり博物館などで展示されていたりするだけの存在になっています。
そのような古典的な測定器と言える霧箱ですけれども、α線に対する感度は非常に高く、有効体積内なら空気中のラドンが出すα線はほぼ100％測定できるのに加え、α線によって発生する「白い雲」は他の放射線のものよりも明らかに太く短くなるため、他の放射線とも明確に区別することができます。
また材料さえ揃えられれば小学生や中学生でも作ることの出来る工作難易度の低さも魅力的です。
②写真フィルム型検出器
写真フィルムは薄いフィルム上に感光剤として臭化銀などの乳剤を塗布したもので、かつては写真用のカメラに広く使われており、今でも一部の愛好家に使用されています。
この写真フィルムにα線やβ線、γ線などの放射線が当たった時、感光剤を反応させて「点」という形で、その放射線の当たった場所を記録されていきます。写真フィルム型検出器は測定を終えたフィルムを現像し、フィルム上に刻まれた「点」を調べることで放射線を測定していきます。
基本的にα線が当たった時に刻まれる「点」の大きさはβ線やγ線やμ粒子単独のものよりも大きくなり、宇宙線の電磁シャワー成分も拡大すれば区別可能であるため、ラドンのα線を測定することができます。
写真フィルム自体は大量生産が可能であり、装置１つ１つの価格を安価にすることができるという長所があります。
しかしその反面、α線と他の放射線(特に宇宙線の電磁シャワー)を区別するためには「点」を１つ１つ顕微鏡で拡大しながら数える必要があるため、この「点を数える」作業に多大な人件費と時間がかかってしまうという欠点がありました。
この欠点により写真フィルム本体を大面積にすることによって短い期間での測定を行うことが費用的に困難であり、数㎠の写真フィルムを使用して数か月から１年という長い測定期間を設ける研究しか行われませんでした。
このことから小面積写真フィルムによる測定は測定期間の長さから屋外やアメリカの住宅の地下室といったラドン濃度が比較的安定している場所での測定には向いていますが、ラドン濃度の変動が激しい日本の建物の居室向きであるとは言えませんでした。
現代では画像解析技術の向上により「点を数える」作業の自動化や短縮化ができるようになりました。
そのあたりをお話しするにあたり少し余談となりますが、写真フィルム型検出器の中で最も高性能と言われているのは「エマルジョン」と呼ばれるタイプのものです。
名古屋大ではこのエマルジョンを使った世界最先端の研究が長い間行われていました。
弊社社長が停年退官した千葉大学理学部物理学科の後任として名古屋大学出身の有賀昭貴准教授が在籍しており、彼はエマルジョンの研究を引き継いだエキスパートです。
有賀准教授はコンピュータによる自動解析により現像したエマルジョンから「α線の通った点」の候補をピックアップする技術を開発しており、この技術を使えば写真フィルム型検出器の解析時間の大幅な短縮が見込まれ、1cm×1㎝の写真フィルムで１年間の測定期間が掛かっていたものを、10cm×10cmの写真フィルムを使用し、およそ3日(100分の1）の測定が可能になっています。
硫化亜鉛(ZnS)シンチレーション検出器
硫化亜鉛（以下ZnS）シンチレーション検出器はその名が示す通りZnSをシンチレーション物質として利用した検出器です。シンチレーション物質は蛍光物質の一種であり、電荷を持った放射線(荷電粒子)が通過するとシンチレーション光という微弱な光を発するという性質があります。シンチレーション物質やシンチレーション検出器を単にシンチレータと呼ぶこともあります。
NaI(Tl)や液体シンチレータのような通常のシンチレーション検出器ではβ線や宇宙線が通過すると大きな光が発生し、α線が入射すると実際にエネルギー値よりも小さな光が発生してしまうサチレーションという現象が起きるのですが、ZnSシンチレータの場合だけはα線が通ると大きな光が、他の放射線が通ると小さな光が出るという特徴があります。
このZnSシンチレータを使ってα線が通過したときに発生する大きな光を「適切な受光素子（光センサー）」で観測し、それを大きな信号として捉えられれば、α線の個数を他の放射線と区別しながら数えることが出来ます。
ところがここで１つの懸念が生じます。この「適切な受光素子」に関しては、種類によって無視できない問題が発生してしまうのです。
デジタルカメラの普及で見られるように、現在では多種多様な受光素子が販売されています。しかしその中でシンチレーション物質が出す微弱な光を測定できる素子は非常に限られており、現時点ではシリコンフォトマル（以下SiPMと略す）と光電子増倍管（以下PMTと略す）の２種類だけです。
SiPMは光半導体素子の一種で、最大で3mm×3mmのサイズのものが市販されていますが、それより大面積のSiPMは仮に作れたとしても使用することが実質的に不可能です。
SiPMの最大の欠点は雑音頻度が非常に高いことです。つまり電気信号的なノイズが多く単独では使えません。ノイズの影響を取り除くためには10個程度のSiPMを並べて同時に信号を出した事象を選び取る必要があります。
例えばラドン濃度の測定期間が１週間となるα線測定器を作成する場合、有感領域には１０ｃｍ×１０ｃｍほどの大きさが必要となるのですが、ZnSシンチレータがこの有感領域の役割を担います。ZnSシンチレータの大きさが１０cm×１０cmであるのならば、そこから出る微弱な光を感知するSiPMは３０×３０＝９００個必要になります。α線がZnSシンチレータを通過した時、シンチレーション光はある程度の範囲に広がって多数のSiPMを鳴らします。大抵の場合10個以上のSiPMが同時に大きな信号を出した事象をα線が通過したとして数えることにします。
SiPM自体は安価（１個100円以下）ですが、１個のSiPMからの微弱な電気信号の時刻と大きさを測定できる電気回路を作るには１つあたり20万円以上の費用が掛かります。すなわち１０cm×１０cmのZnSシンチレータ＋SiPMで精度の高いラドンα線測定器を作ろうとすると１台あたり２億円以上の高額な検出器となってしまう計算になります。
注目：家庭用向けに販売されているラドン濃度測定器には注意が必要
ネット通販サイトにおいて「ラドン濃度測定器」と検索を掛けると、数万から十数万程度の価格で家庭用のデジタル式ラドン濃度測定器が販売されているのを目にします。
一見取り扱いやすくてリーズナブルな価格に感じる方もいらっしゃいますでしょうが、中には明らかにラドンのα線測定には向いていない電離箱や炭素吸着による液体シンチレーション検出器がラドン検出器として販売されていることもあるため、これらの測定器には注意が必要です。
中にはラドンα線が測れる硫化亜鉛(ZnS)シンチレーション検出器が販売されていることもありますが、それでも気を付けなければならない点が存在します。
一通りスペックを確認した限りでは、家庭用向けに販売されている硫化亜鉛(ZnS)シンチレーション測定器のほぼ全ては半導体受光素子が使用されているのですが、価格的に考えてSiPMが少数しか使用されていないらしく、中にはSiPMではなく外型はほとんど同じでも増幅率が桁違いに小さい（信号が小さくノイズに紛れやすくなる）フォトアバランシェダイオード、あるいはさらに増幅率が桁違いに小さい普通のフォトダイオードを使っているものも存在しているようです。
すでにご購入済みの方は確認してみてください。
もしお手持ちの家庭用のラドン濃度測定器の詳細な仕様がわからなくて、なおかつその性能をお疑いのようであれば、測定器本体を透明な袋やタッパーなどの密閉容器（有線電源の場合は目張りに注意）に入れてラドンの供給を断ってみることをお勧めします。
ラドンは半減期3.8日で減少していく放射性物質であるため、外部からの供給が断たれた場合、その測定器が正確であるならば測定値もまた半減期に従って減少していくはずです。
弊社が試験的に購入した家庭用ラドン濃度測定器でその検証を行ってみたところ、最初の段階では測定値に減少が見られましたが、密閉後10日を超えたあたりから測定値が上下する現象が発生しました。
少なくとも弊社が購入した家庭用ラドン濃度測定器は低線量帯（数十Bq/㎥）以下の範囲では信用に足りないものであると判断しています。
ZnSシンチレータに関してもう一つの受光素子であるPMTを使ったα線測定器はもっと安価に作れます。
PMTは真空管の一種で、PMTは直径1/4インチから25インチまで様々な大きさのものが市販されており、価格は10万円前後です。PMT自体は雑音頻度が低く測定しやすいという長所を持っているのですが、PMTの陽極面に宇宙線が当たると大きな信号が出てしまいます。
そのため宇宙線対策としてPMTを３本以上用いてそれらが一直線上に並ばないように配置します。こうすることによって幾何学的に宇宙線がPMTを３本同時に鳴らすことが無くなります。３本が同時に信号を出した事象のみをシンチレーション光（α線の通過）として計数できます。
ZnSシンチレータ＋PMTでラドン濃度測定器を作成する場合、筐体や電源に多少の値段が張ってしまいますが、SiPMの物と比較してずっと安く1台当たり300万円程度で製造できます。この測定器は直径6cm長さ15cm程度のPMTが３本装着されているので、ラドンから出たα線によるシンチレーション光を簡単に見分けられます。有感領域は１０cm×１０cmと変わらないため、1カ所の測定に１週間程度の期間が必要となります。
ラドンの濃度測定器の種類と特徴のまとめ下の２つ表では
| ラドン濃度測定器の種類 | 特徴 | 注意点 |
| 霧箱 | α線への感度が良好で、β線や宇宙線とも視覚的に簡単に区別できる。 古典的な測定器ではあるが、工作難易度は低く、材料さえ揃えれば誰にでも作成できる。 | 受光素子としてSiPMかPMTが必要だが、SiPMを使用する場合だと読み取り回路の高額さから1台2億円の価格となる。PMTの場合でも１台300万円程度。 通販サイトなどでは家庭用向けに１台数万円から十数万円のラドン濃度測定器が販売されているが、その性能には注意が必要。 |
| 写真フィルム | 写真フィルムそのものは安価で量産が可能。 屋外や地下室など比較的ラドン濃度が安定している場所向け。 | 小面積だと測定に３か月から１年程度の長い期間が必要であり、解析にも多大な労力と人件費が掛かる(現在では自動化・短縮化可能）。 ラドン濃度の変動が激しい日本の住宅の居室向けの測定器とは言い難い。 |
| 霧箱 | α線への感度が良好で、β線や宇宙線とも視覚的に簡単に区別できる。 古典的な測定器ではあるが、工作難易度は低く、材料さえ揃えれば誰にでも作成できる。 | 他の放射線検出器との併用が難しく、エネルギーの大きさや時間を計測することが出来ないため、最新の物理学研究には向かない。 |
