霧箱によるα線測定とは？
我々の周りには様々な自然放射線が降り注いでいます。10ｃｍ×10ｃｍの面を宇宙線のμ粒子は毎分600個通過しますが、ラドンからのα線は毎分0.1個程度しか通過しません。またタリウムが出すγ線から発生する散乱電子もμ粒子と同程度存在します。
ラドンの濃度を測定する方法はラドンから放出されるα線を測定することだけです。ラドンが出すα線の測定器に求められる性能は、α線に対して十分な感度があるだけでは不十分で、他の放射線に対する感度が非常に小さく、α線と明確に区別することが必要不可欠です。これを満たすα線の測定方法は、写真フィルム、ZnS（ヨウ化亜鉛）シンチレータという特殊な物質を使った光測定器、霧箱の３種類です。弊社では３種類とも試作した結果「霧箱」を採用することにしました。将来的にはZnS（硫化亜鉛）シンチレータ測定器の仕様も視野に入れています。
箱の中の飛行機雲、霧箱の動作原理
まず最初に霧箱の測定原理についてお話しします。
図１:霧箱の仕組み
上空まで良く晴れた日では飛行機雲ができることがあります。
地表が暖められ、地表付近の空気の温度が上がって膨張し、上昇を始めます。上空では気温が下がるので湿度が上昇し、ある高度で湿度100％になります。湿度が100％を超えてもきっかけがないと雲ができません。上空では湿度が100％を超えた、過飽和の水蒸気を含んだ空気となります。ここに航空機が飛ぶと、エンジンから排出される化学物質が種になって雲ができます。
霧箱の動作原理は基本的にこの飛行機雲と同じで、箱の中にエタノール蒸気の過飽和状態を作ります。その中を放射線が走ると放射線によって空気分子がイオンになり、そのイオンが種になってエタノールの雲ができます。
この時に発生した白い線状の雲を視覚的に捉えて数えたり、カメラで撮影したりすることによってラドンから飛び出てきたα線の数を測定することができます。
ご家庭でも作ることができる霧箱の基本構造
図２：弊社が使用している霧箱測定器
図３：霧箱の概略図（簡単のため一部省略しております）
図２、図３は弊社が使用している霧箱です。材料は誰でも手に入るものを選びました。
霧箱本体はポリエチレン製の直方体容器（15cm×20cm×10cm）の底を抜いたものを用いて、容器の内面に5mmほど隙間を開けて黒い厚紙を立てています。霧箱の下のアルミトレーにはエタノールが、さらにその下の大きなアルミトレーにはイソプロパノールが入っており、イソプロパノールはドライアイスで−40度に冷やします。霧箱の上面は家庭用ラップのうちのポリメチルペンテンラップを幅広のゴムバンドで止めています。
図４：霧箱の構造と動作原理
霧箱内の同じ高さでは中央部よりも周辺部が高温なため、霧箱内の空気は周辺部で上昇し、上面で中央に集まって、中央部で下降し、底で周辺部に広がるという対流を行います。エタノールは黒い紙の中を毛細管現象で上昇しているうちに気化し、エタノール蒸気が空気の対流に乗って霧箱中央部を下降していく中で過飽和状態になります。
これにより放射線を測定する準備が整いました。
実際に測定してみた
図５：試料採集用空気ポンプと風船
図６：試料空気への置き換え
図5は測定対象となる空気を風船に充填している様子です。単に測定室の空気内(厳密には霧箱本体を置いた机上の空気内）のラドンα線を測定したいだけならば必要ありませんが、弊社で任意の場所の空気を採集して測定したいため、市販されている最も小さな空気ポンプ（模型塗装用エアコンプレッサー）を使用して空気を集めています。約３分で10ℓ程度の空気が風船の中に集まります。
図７：照明を落として霧箱を撮影
上野図６は霧箱に風船を繋いで霧箱内部の空気を採取した空気に置き換えている様子であり、図７は部屋の照明を落とし、卓上ライトのみで照らした霧箱を霧箱の上に固定したカメラで撮影し、α線を測定している様子です。
霧箱を十分冷やした状態から空気を置き換えて10分ほど時間が経過すると、箱内の空気が安定してきて図８のような動画で撮影することができます。
図８（動画）：霧箱内の様子
細くて長めな白い雲が多数発生する中、動画の7秒目のあたりに太くて短めな白い雲がサッと現れる様子が見て取れるかと思います。
この太くて短い雲こそがラドンから出るα線の飛跡であり、細くて長めな雲は宇宙線の飛跡が現れたもので、時折現れる糸くずのような雲は電子(弱めのβ線)です。
じっくりご覧になりたい方のために1秒ごとの連続撮影による静止画も用意してみました。
図９：代表的なα線
図１０：図９の1秒後
図１１：代表的な宇宙線（μ粒子）
図９は代表的なα線の写真であり、図１０は図９から１秒後の写真、図１１は代表的な宇宙線のμ粒子の写真です。図９と図１１では明らかに軌跡の太さや長さが異なります。α線の場合は太く短く、宇宙線の場合は細く長いものになります。さらにα線の飛跡ならだいたい３秒程度痕跡が残りますが、宇宙線やβ線は１秒程度で飛跡が消えてしまいます。
これらの違いにより、霧箱はα線とそれ以外放射線を容易に識別することが可能となります。
