空気中の自然放射性核種の測定と放射線教育教材への応用

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空気中の自然放射性核種の測定と放射線教育教材への応用

佐　藤　美千代，岩　田　吉　弘

Measurement of natural radioactive nuclides in the air and its application to teaching materials for radiation education

SATOH, Michiyo

¹

; IWATA, Yoshihiro

^2*

1

Ogachi Junior High School, Yuzawa 019-0204, Japan

2

Department of Chemistry, Faculty of Education and Human Studies, Akita University, Akita 010-8502, Japan

Abstract

We developed a method to collect natural radioactive nuclides in the air by a simple method. Dust contained in the air in the storage room was sucked with a vacuum cleaner and collected on a cotton paper used as a filter. The radioactive nuclides,

²¹⁴

Pb and

²¹⁴

Bi from

²²²

Rn were collected on the filter. The radiation dose had enough quantity to analysis using a GM counter for education. The PC was connected to the GM counter and displayed the change of the radiation dose in real time. The PC calculated the apparent half-life of the radioactive nuclides, and the half-life was approximately 40 minutes.

We applied this measurement to the radiation education teaching material for junior high school students. This teaching material promoted that a student understood "radioactive decay of the atom", "half-life" and "the measurement of the radiation".

Keywords : radiation education, teaching material, natural radioactive nuclide, radioactive decay, radon

１．はじめに

　平成 20 年改訂の中学校学習指導要領に「放射線の性質と利用にも触れること」と記載され，中学校における放射線教育が 30 年ぶりに復活した。

　保坂らは，中学校理科における放射線の学習に関して，60％を超える中学校理科教員が放射線の指導に関して「自分自身の教材研究の不足」，「知識の不足」を問題点と考えていることを明らかにした

^１）

。さらに，教科書と中学生のための放射線副読本

^２）

を主たる教材として授業を受けた生徒群と，専門家による指導，観察・実験を伴う授業を受けた生徒群を比較することで，前者の生徒にはあまり変容は見られないが，後者の生徒には明らかな変容が見られることを明らかにした

^３）

。これらの結果を受けて，保坂は全ての中学校で専門家を招いて授業を行うことは困難であるが，少なくとも中学校理科教員によって「観察・実験」を行うことを標準の指導計画とすることを提案している。

　平成 23 年の福島第一原子力発電所の苛酷事故を受け，

平成 28 年度改訂の中学校理科の教科書では，放射線に

関する項目が増えた。なかでも「原子の壊変」，「半減期」，

「放射線の測定」の項目は，ほとんどの教科書で改訂後に記述されるようになった。これらの項目は放射線の理解に重要であるが，包括的に理解をすすめる実験教材は教科書にほとんど示されていない。

　一方，放射線教育用教材の「はかるくん」による放射線測定のテキストには，学校内の数ケ所で放射線を測り自然放射線量の違いを調べる実験や，遮蔽効果などの放射線の性質を調べる実験が示されている

^４）

。内田らは，

中学校理科の授業で生徒に放射線測定器「はかるくん」

を使ってガンマ線による実効線量を測定させることで，

放射線の性質と測定値の大小関係から様々な考察をさせることが可能であることを明らかにした。しかし，ガンマ線は天井や壁などの建築材や家具や大地など四方八方から，少々の遮蔽物は通り抜けてくるので，特定の物体だけからくる放射線を区別して測ることはできない。課題としては，「はかるくん」では発生源を特定できず，

測定しているものが宇宙線なのか，大地からの放射線なのか，何を測定しているのかについて実際に確かめるこ

（ Memoirs of the Faculty of Education and Human Studies ）

Akita University（Natural Science）

73，17 − 22（2018）

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とはできないことにある。ガンマ線の透過性があるため，

対象物を測定器の面に接しさせる場合においても，対象物以外からくる放射線の影響を避けられないとしている

^５）

。

　大地からの放射線は，岩石や土壌中存在するウラン系列（親核種：

²³⁸

U，半減期 45 億年）とトリウム系列（親核種：

²³²

Th，半減期 140 億年）およびそれらの子孫核種，加えて

⁴⁰

K からのガンマ線である。その年間実効線量は，日本人１人あたりの 0.33 mSv とされ，外部被曝の約 1/2 をしめる。ウラン系列のラドン（

²²²

Rn），トリウム系列のトロン（

²²⁰

Rn）とその子孫核種は，内部被曝においても主たる放射線源である。特に，吸引による内部被曝の 0.48 mSv のうち 99％は，これらによる

^６）

。　ラドンとその子孫核種は地下室などの密閉空間に滞留しやすく，子孫核種はホットアトム効果でイオンとして存在して，周囲の塵に付着している。この塵を捕集することで身近な放射線源として理科教育教材とした例がある。J. Gastineau は，帯電させた玩具のゴム風船に地下室内のラドンの子孫核種を吸着捕集後，風船たたみ，教育用ガイガーカウンターで測定する方法を提案している

^７）

。この方法は捕集に特別な装置を必要とせず，測定器も安価である。しかし捕集には，かなり広い密閉された地下空間が必要である。日本では，もともとラドン量が少なく

^６）

，地下室も一般的な生活環境に少ない。

　関根らは，東北大学における文系学生を対象とした理科実験科目「文系学生のための自然科学総合実験」の一つの実験課題として，身近な放射線の存在を認識する理科実験プログラムを実施している

^{８, ９）}

。このプログラムでは，小部屋に滞留したラドンの子孫核種から生成する短寿命放射性核種をハイボリュームエアサンプラーで捕集し，放射線管理用 GM サーベイメータでβ線を測定している。大学教育で求められる定量的な考察ができる反面，特殊で高価な装置が必要となる。

　ラドンの子孫核種を家庭用掃除機で捕集し，β線測定装置で測定する実験テキストがある

^10）

。この実験テキストでは，捕集した放射性核種からの放射線が「はかるくんⅡ」により 70cpm 以上必要とされている。しかし具体的に，どのような採取場所で，どのような捕集するかが示されておらず，教材として利用しにくい。また文部科学省からの「はかるくん」の貸出事業は，平成 26 年度末で終了した。

　本研究では，効率が高く，安価な教育用ガイガーカウンターで計測可能で，しかも簡便なラドンの子孫核種の捕集法を開発した。捕集した空気中の自然放射性核種は，

放射線源として，教育用 GM 計数管で線量変化を測定できる。これを中学校での放射線教育において，「原子の壊変」，「半減期」および「放射線の測定」の理解を促

す教材に応用した。

　また，教育用 GM 計数管による計測では，パソコンを使用した。これまで本研究室では，観察・実験を行う過程でのパソコンの利用では，観察・実験の代替としてではなく，自然を調べる活動を支援し，強化し，触発することを助ける知的で創造的な道具として位置づける教材開発を行ってきた

^11‒13）

。本研究においても放射線量のリアルタイムの計測結果の表示や，半減期の解析においてパソコンを利用し，創造的な道具としての活用に成功した。

２．実験

２．１　放射線測定装置

　ガイガーミューラー測定器として，放射線管理用 GM サーベイメータ（計数窓径 5.0 cm，Aloka 製 TSC‒319H）を単独で，あるいは教育用 GM 計数管（計数窓径 1.3 cm，Vernier 製 VRT‒BTD）をインターフェース（Vernier 製 Go! Link）を経由しパソコンに接続して用いた。データ解析ソフトは，Logger Pro3（Vernier 製）

を用いた。

２．２　集塵方法

　集塵機としてダイヤフラム形ポンプ（アルバック製，

DA‒15D，風量 12 L/min）と家庭用掃除機（風量 900 L/min）を比較した。

　集塵フィルターの選択では，ラドンとその子孫核種の放出源として，燐灰ウラン鉱（ウラン量 1.6 ｇ）を大型吸引濾過鐘（容積 17 L）に入れ，24 時間放置した空気を用いた。フィルターとして，掃除機用ダストパック，

ガラス繊維濾紙，コットンワイパーなどを，家庭用掃除機の吸引口に取り付けた。濾過鐘内の空気を掃除機で 20 秒間吸引し，フィルターにラドンとその子孫核種を捕集した。

　放射性核種の付着したフィルターはポリ袋に入れ，放射線管理用 GM サーベイメータの計数窓に密着させ，

１分間放射線を計測した。

２．２　校舎内でのラドンとその子孫核種の採取と測定

　コットンワーパーを二重にしたフィルターを掃除機の吸引口に取り付け，大学や中学校の物品庫等の空気を５分間吸引した。フィルターに捕集した放射性核種からの放射線は，放射線管理用 GM サーベイメータあるいは教育用 GM 計数管で１分あるいは２分計測した。

３．結果と考察

３．１　身近な放射線源のラドンとその子孫核種

　ラドン（Rn）は，天然に存在する放射性壊変系列で

(3)

あるウラン系列の途中にある

²²⁶

Ra（半減期 1600 年）が壊変して生成される

²²²

Rn（半減期 3.8235 日）と，トリウム系列の

²²⁴

Ra（半減期 3.66 日）が壊変して生成される

²²⁰

Rn（半減期 55.6 秒）がある。このラドンとそれらの子孫核種が一般生活環境に存在する放射線源として問題となる。通常，ウラン系列の

²²²

Rn を「ラドン」と呼び，

トリウム系列の

²²⁰

Rn を「トロン」と呼んでいる。

　岩石や土壌，身の回りのコンクリートの中にも含まれているラジウム（

²²⁶

Ra，

²²⁴

Ra）が壊変してラドンとトロンになると固体化合物の状態から貴ガスとなり，空気中に散逸する。

　ラドンは半減期が約４日であり，広く空間へ拡散するので，家屋においては床下や室内の建材中から散逸したラドンは換気率の低い部屋に侵入して濃縮され，高い濃度になることがある。

　トロンは半減期が約１分であり，生活環境においては，

土壁やコンクリートなど室内の建材中の

²²⁴

Ra から散逸した場合だけが問題となり，壁などの表面付近で高濃度になるが，部屋全体が高濃度になることはない。

　ラドンもトロンも，被曝線量への寄与は，ラドン，トロンそのもののガスによるものは小さく，空気中での壊変で生じる子孫核種の吸入によるものがほとんどである。ラドンは室内で高濃度になる可能性があり，また空気中で壊変して，短寿命放射性核種を生成する。ラドンの属するウラン系列の壊変図を図１に示す

^12）

。

　

²²²

Rn から順番に，

²¹⁸

Po（半減期３分），

²¹⁴

Pb（半減期 26.8 分），

²¹⁴

Bi（半減期 20 分），

²¹⁴

Po（半減期 0.164 ミリ秒）

が次々と生成しては壊変し，比較的長い半減期の

²¹⁰

Pb

（半減期 22.3 年）にいったん落ち着く。

　

²²²

Rn から子孫核種は，ホットアトム効果でイオン化しているため，空気中の塵に沈着しやすい

^８）

。それらを人が吸入することにより気管支や肺胞などの呼吸器官に

沈着して，

²¹⁸

Po，

²¹⁴

Bi が放出するα線の照射が，比較的高い被曝線量の原因とされている。なお，図１に示す通り，

²¹⁴

Bi がベータ壊変して生じる

²¹⁴

Po のアルファ線が被曝の原因であるが，

²¹⁴

Po の半減期が１.6 × 10

^{− 4}

秒と極めて短いため，このアルファ線は事実上

²¹⁴

Bi から発生しているとみなせる。

　日本人の自然放射線による年間実効線量において，吸引摂取による内部被曝の内訳で，ラドンとその子孫核種によるものは，0.37 mSv/ 年，トロンとその子孫核種よるものは，0.07 mSv/ 年とされており，その合計は自然放射線による被曝の 22％をしめる

^６）

。アメリカでは，岩盤のラジウム含有量が大きいことと，家庭にも地下室があることで，ラドンとその子孫核種による内部被曝が深刻な公衆衛生問題の一つとなっている。このことからアメリカ合衆国環境保護庁で中高校生向けに放射線教育活動を行っている

^13）

。

　放射線教育で一般的に用いられている放射線源は，超長寿命の

²³²

Th（半減期 140 億年）や

⁴⁰

K（半減期 12 億年）

であるため，放射能の減衰を測定することはできない。

222

Rn から最初に生まれる

²¹⁸

Po は半減期が短いために簡単には測定できないが，次に生成する

²¹⁴

Pb と

²¹⁴

Bi は半減期が 20 ～ 30 分程度である。これは限られた授業時間内で放射線を測定とその結果から放射能の減衰，すなわち原子の壊変の教材として適している。

²¹⁴

Pb と

²¹⁴

Bi からのベータ線の測定では，放射性核種の見かけ上の半減期が約 40 分となる

^８‒10）

。

　前述の通り，空気中の

²¹⁴

Pb と

²¹⁴

Bi は，いわゆる NORM

（Naturally Occurring Radioactive Materials）であり放射線量も小さい。半減期は短いため，取り扱う上での被曝線量も無視でき，放射線障害予防法など法令での規制もない。このように自然由来のラドンの子孫核種は教材としての放射線源として適当であると考えられる。

３．２　集塵機の選択

　ダイヤフラム型ポンプの吸引口にフィルターホルダ（ADVANTEC，PRO‒47）を付け，ガラス繊維濾紙

（ADVANTEC，GA100）をセットした。家庭用掃除機の吸い込み口に掃除機用ダストパックをかぶせた。採取場所は，A 大学１階物品庫とした。

　ダイヤフラム型ポンプで５時間，翌日に掃除機で１時間採取した。採取後，直ちに放射線管理用 GM サーベイメータで１分測定し，その後，教育用 GM 計数管で２分毎の測定を行い，放射線量の減衰を解析した。

　放射線管理用 GM サーベイメータでの測定では，ダイヤフラム型ポンプで 450cpm，掃除機で 2090cpm であった。教育用 GM 計数管の測定では，ダイヤフラム型ポンプで 33.7cpm，掃除機で 450cpm であった。ダイ

図１　ウラン系列の壊変図

　　　扌：主な壊変経路，　：確率 0.02％以下

(4)

ヤフラム型ポンプは長時間安定に吸引できるが，掃除機の効率には劣っていため，以後集塵機には家庭用掃除機を用いることとした。掃除機で捕集した放射性物質からの放射線量は，計数率の小さい教育用 GM 計数管でも解析に十分大きかった。そこで半減期を解析したところ，

約 40 分となり，ラドンの子孫核種の

²¹⁴

Pb（半減期 26.8 分）

および

²¹⁴

Bi（半減期 20 分）が捕集されていると判断した。

３．３　フィルターの選択

　フィルターの選択には，できるかぎりラドンの子孫核種濃度の等しい空気を吸引し，放射線量を比較する必要がある。一方，室内のラドン濃度の決定要因は，床下の土壌や建材中の

²²⁶

Ra 濃度はもとより，室内の濃縮の変動要因である室内への侵入率，屋外への排出に関連する換気率，さらにこれらの要因とも関連する気温，風向，

風速，降雨などの気象条件も重要であるとされている

^６）

。密閉性の高い物品庫のような室内でも，これらの条件を一定にすることは難しい。そこで

²²⁶

Ra を含有するウラン鉱石を密閉容器内に一定時間放置して，鉱石から発生するラドン（

²²²

Rn）とその子孫核種が滞留した空気を試料とすることとした。

　24 時間毎に異なるフィルターを付けた掃除機で，ウラン鉱石を入れた大型吸引濾過鐘の空気を 20 秒間吸引し，フィルターからの放射線を放射線管理用 GM サーベイメータで１分間測定の３回繰り返し，平均値をまとめた（表１）。空気の吸引量は，吸引口の風速を風速計

（Laser liner 製，Multi Test‒Master，口径 33 mm）で測定し求めた。捕集するフィルターとして，コットンワイパー（クレシア，キムワイプ），掃除機ダストパック（アイム，そうじ機用取り替えパック），防塵マスク（ワイパーサプライ，Leaf Mask），ガラス繊維濾紙（ADVANTEC，

GA100），コーヒーフィルター（UCC，コットン 100％）

を用いた。

　全てのフィルターで 20 秒の吸引で空気の入替回数は５回以上となり，濾過鐘内に滞留していた空気は十分吸引できた。ガラス繊維濾紙は放射線量が最大となり，塵を最も多く捕集できた。しかし空気の吸入量が最小で，

掃除機への負荷が大きいと判断された。また，ガラス繊

維濾紙は耐久性が小さく，粉々になりやすい。一方，コットンワイパー（キムワイプ）二重にした場合，ガラス繊維濾紙に比べ放射線量は約 1/2 となったが，これまで使用していた掃除機用ダストパックに比べると放射線量は三倍増加した。コットンワイパーは一般的で安価な商品で，耐久性も大きい。これらのことから，今後フィルターとしてキムワイプを二重にして用いることとした。

３．４　フィルター上の放射性核種の保持

　学校現場でのラドンとその子孫核種の採取場所として，物品庫等の密閉空間が想定される。この空間体積は 10 ㎥以上あるため，掃除機による 5 分から 15 分程度の吸引が必要になる。フィルターに採用したコットンワイパーの耐久性とともに，捕集された放射性核種が脱離しないことを確かめる必要がある。

　このため，３．３で行った，20 秒吸引，１分間測定のサイクル（単位操作時間　約１分 30 秒）を 35 回，60 分間にわたって繰り返し，コットンワイパーに付着した放射性核種からの放射線量の変化を調べた（図２）。

　放射線量は，４回までの測定で増加したが，やがて減少し，60 分後に 1/2 となった。繰り返し吸引では，捕集時間中に発生した短半減期の

²¹⁸

Po とその子孫核種を捕集できるため，一時的に放射線量が増える。その後の放射線量の減少の原因は放射性核種の壊変あるいはフィルターからの脱離が考えられる。これまで，ラドンの子孫核種（

¹⁴

Pb と

²¹⁴

Bi の混合物）の見かけの半減期は約 40 分であった。本実験ではそれよりも減少速度が小さいことから，コットンワイパーに捕集された放射性核種は安定に保持されていることが確認された。見かけ上の半減期が 60 分程度となったのは，繰り返し吸引により，

218

Po とその子孫核種を追加して捕集できていることが原因と思われる。

　掃除機による吸引時間は総計 12 分で，吸引量は６㎥

となった。実際の採取では，掃除機への負担や授業展開などから，５分間の吸引とした。

表１　種々のフィルターでのウラン鉱石から発生したラ ドンの子孫核種の捕集

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

0 5 10 13 16 20 23 26.5 30 33 36.5 40 43 46.5 50 53 56.5 60

経過時間　（分）

放射線量

（ cp m ）

図２　燐灰ウラン鉱（ウラン量1.6g）から発生したラドンの子孫核種を繰り返し吸引したフィルターからの放射線量の経時変化 図２　燐灰ウラン鉱（ウラン量 1.6g）から発生したラ ドンの子孫核種を繰り返し吸引したフィルターか らの放射線量の経時変化

(5)

３．５　フィルター上の放射性核種の保持

　これまでの結果からコットンワイパー二重のフィルターを用い，掃除機で５分間吸引する集塵方法で，実際の学校現場での空気から，放射線核種を捕集できるか調べた。採取場所は秋田大学３カ所，Ａ中学校２カ所，Ｂ中学校１カ所の計６カ所とした。

　秋田大学では，270 から 2090cpm の放射線を測定できた。放射線量が大きかった場所は，コンクリートがむき出しで，窓のない部屋であった。

　一般的な校舎において，１階から２階への階段の踊り場下は，物品庫になっている。Ａ中学校２カ所の物品庫はいずれもコンクリートむき出しであった。窓のある物品庫は 350cpm に対し，窓がない物品庫は 2060cpm と大きな違いがあった。

　Ｂ中学校の物品庫は，コンクリートがむき出しで，窓はなかった。集塵により 5400cpm の放射線源が得られた。教育用 GM 計数管でも 900cpm となり，「原子の壊変」

に関する教材に必要な条件である 70cpm 以上を十分満たいた。

３．６　身近な自然放射性核種の測定

　Ｂ中学校の物品庫の空気から，放射線教育教材に用いることの可能な放射性核種が得られたので，引き続き放射線量の解析を行った。

　この物品庫は，階段下の容積約 10 ㎥の小部屋である。

掃除機で吸引した空気は風速計の値から 3.2 ㎥と見積もられ，部屋の空気の 32％に相当する。教育用 GM 計数管での 2 分毎の計数値をパソコンに取り込み，リアルタイムで表示，解析した画面を図３に示す。

　測定開始時の計数は約 900cpm であり，測定器のパルス音を発生させると，ピーという連続音となった。計数値は時間と共に減少し，３時間後にはバックグラウンドレベルになった。計数値 A （cpm）を下記の時間 t （分）

に対する一次反応として，指数関数で近似した。

　　 A ＝ A

0

e

^‒λt

　ここで A

0

は初期値 , λは壊変定数（/ 分）である。

最小自乗法による近似の結果， A

0

=940 ± 9cpm， λ

=0.0180 ± 0.0002/ 分となった。λの値から見かけの半減期として，35.8 分が得られた。

　中学校の物品庫の空気といった身近な環境に放射性核種が存在すること，放射性核種は放射線を出しながら減少していくこと，減少する割合は半減期で示されるなど，

放射線教育で重要なとされる「放射線の測定」，「原子の壊変」，「半減期」の理解を促す教材に応用できることが確かめられた。

３．７　授業実践

　Ｂ中学校第３学年の生徒 50 名を対象に，本法と「はかるくん」による放射線測定，霧箱による放射線観察を組み合わせた授業実践をおこなった。詳細は別報で行い，

ここでは本法と関連する部分のみ記述する。

　授業は２校時連続で行われ，冒頭に，物品庫の空気からラドンの子孫核種の捕集を行い，放射線量の測定を開始した。

　その後，放射線の説明，実験等の授業を展開したが，

その間，パソコンには２分毎の放射線計数値が保存しつつ計時変化をモニターに表示した。Ｂ中学校で捕集したラドンの子孫核種からの放射線測定では， A

0

=226 ± 4cpm，λ =0.0177 ± 0.0005/ 分，見かけの半減期として，

39.1 分が得られた。

　授業後半で，生徒に解析画面を提示することで「はかるくん」や霧箱の実験で得た放射線に関する知識との統合をはかった。

　アンケート等により以下についての理解が深まったことを確認できた。１）身の回りに放射線源がある　２）

放射性核種が壊変することで放射線が生じる　３）放射性核種には半減期があり，放射性物質がいつまでも放射線を出し続けるわけではない。

　本研究では，空気中の自然放射性核種を身近な場所から簡便な方法で捕集する方法を開発した。得られた放射線量は，教育用 GM 計数管を用いて解析するために十分であった。計数管をパソコンと接続し，放射線量の変化をリアルタイムで表示すると同時に半減期の解析を行った。従来行われていた「はかるくん」や霧箱を用いた放射線教育教材と組み合わせることで，「原子の壊変」，

「半減期」および「放射線の測定」の理解を促す授業実践に応用し，その教育効果が示された。

図3　A中学校倉庫の大気から採取した放射性核種からの放射線の経時変化の解析画面

図３　Ｂ中学校倉庫の大気から採取した放射性核種から の放射線の経時変化の解析画面

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参考文献

空気中の自然放射性核種の測定と放射線教育教材への応用