【レポート】

JAXA、「超広角コンプトンカメラ」による放射性物質の可視化実証実験を実施

宇宙航空研究開発機構(JAXA)、日本原子力研究開発機構(原子力機構)、東京電力の3者は3月29日、「超広角コンプトンカメラ」(画像1・2)による放射性物質の可視化に向けた取り組みとして、2月11日に行った線量測定および撮像試験による実証試験と、同カメラについての解説を行った。

画像1。超広角コンプトンカメラの原理実証モデル。ここでは超広角コンプトンカメラを構成する2ユニットが写されている(JAXAの配布資料より抜粋)

画像2。車載された超広角コンプトンカメラの装置一式。2月11日の実証試験での様子(JAXAの配布資料より抜粋)

会見には、超広角コンプトンカメラを開発したJAXA宇宙科学研究所宇宙物理学研究系の研究者で、次期国際X線天文衛星「ASTRO-H」プロジェクトマネージャである高橋忠幸教授(画像3)、同渡辺伸助教、同ミッション機器系グループの竹田伸一郎研究員(画像4)が登壇し、高橋教授が中心となって実証実験の報告やカメラの技術解説を行った。

画像3。次期国際X線天文衛星「ASTRO-H」のプロジェクトマネージャである高橋忠幸教授。今回、ASTRO-Hに搭載される検出器の技術を応用して今回超広角コンプトンカメラを試作した

画像4。JAXA宇宙科学研究所ミッション機器系グループの竹田伸一郎研究員。かつては高橋教授の研究室の出身で、今後は超広角コンプトンカメラの民生利用や、参加民間企業を募っての実用機の開発なども担当していく

今回の超広角コンプトンカメラは、2014年(当初は2013年)にJAXAが打ち上げを予定しているASTRO-H(JAXAの衛星や探査機でお馴染みのひらがなの名称はまだ公募されていないのでつけられていない)に搭載される検出器(観測用センサ・カメラ)の1つである「軟ガンマ線検出器(SGD:Soft Gamma-ray Detector)」のコンセプトをベースに、同じくASTRO-Hに搭載される4つの検出器の内の1つである「硬X線撮像検出器(HXI:Hard X-ray Imager)」の要素技術を組み合わせて試作された、原理実証モデル(試作機)である。

高橋教授は会見で、東京電力から相談を受けたこともあり、「日本には優れた技術がたくさんあり、それを現在の困っている方たちの少しでも役に立ちたいと思い、急遽ASTRO-Hに搭載するために開発中だった技術を応用して試作しました。コンプトンカメラに使われている技術は世界でも唯一で、性能も最高のものです」としている。

超広角コンプトンカメラが対象とする、放射性物質のセシウム134(半減期2年強)やセシウム137(半減期30年強)が直接放出する核ガンマ線のエネルギーは、600~800KeVほどだ。この領域でのイメージング観測には、これまではピンホールカメラを用いた観測が行われてきた(画像5)。

画像5。従来型のピンホールカメラの仕組みのイメージ。ピンホール以外からのガンマ線を遮蔽する必要がある(JAXAの配布資料より抜粋)

しかし、視野角がピンホールの開口角で40~60度に規定され、入射ガンマ線の方向を前もって限定しておく必要があるほか、周囲のバックグランドノイズを低く抑えられること(測定したい地域が全体的に放射線量率が高いと使いにくい)、マスクが入射ガンマ線を止められる厚みを持てる場合などに有効で、決してあらゆる場面で使えるというわけではない。

一方、このエネルギー領域でガンマ線の主要な相互作用となる「コンプトン散乱」を用いて入射ガンマ線の方向を確認し、可視化を行う技術が「コンプトンカメラ」だ(画像6)。

画像6。コンプトンカメラの原理。ガンマ線がコンプトン散乱する反応を利用している(JAXAの配布資料より抜粋)

コンプトンカメラでは、ガンマ線が検出器の物質中の電子と散乱する際のコンプトン散乱によって、ガンマ線が電子に与えたエネルギー(E1)、散乱されたガンマ線のエネルギー(E2)、さらにコンプトン散乱を起こした位置(X1)と、散乱されたガンマ線が光電吸収された位置(X2)とを知ることで、入射ガンマ線のエネルギーと到来方向を同時に求めるものである。

放射性物質の分布は、統計的な処理を経て画像化される仕組みだ。コンプトンカメラは、ピンホールやコリメータを使用しない検出方法によって、ガンマ線可視化ができる点が特徴である。また、バックグランドノイズの除去能力が高く、高い感度を得られることから、宇宙ガンマ線の高感度観測において次世代型のガンマカメラとして大いに期待されているわけだ。

そんなコンプトンカメラを15年かけて開発してきたのが高橋教授であり、今回の超広角コンプトンカメラは、シリコン(Si)とテルル化カドミウム(CdTe)の半導体イメージング素子を高密度積層したコンパクトな構造を持ち、高い解像度を有する点が特徴である(画像7)。画像1の今回の超広角コンプトンカメラの試作機では、Siのイメージング素子を2層、CdTeのイメージング素子3層を密に多層構造にした。

画像7。高橋研究室で15年かけて開発された、Si/CdTe超広角コンプトンカメラの原理(JAXAの配布資料より抜粋)

これまでコンプトンカメラの原理は知られていたが、必要な効率や画像解像度で可視化を行い、また比較的簡易な手法で現地での撮像ができるような装置は存在していなかった。

超広角コンプトンカメラでは、コンプトン散乱したガンマ線が装置から逃げにくい構造となっており、結果として、約180度という超広角の視野が実現できるという仕組みだ。

また、今回、局地的にガンマ線量の高いホットスポットの正確な位置特定が可能な解像度を実現するために、250μmの位置分解能を持つSiとCdTeのストリップ検出器(128×128画素)が開発された。

特にCdTe検出器に関しては、従来のガンマカメラに採用されてきたものがmmレベルの位置分解能であったことと比べると、格段に優れた位置分解能を持つ。実験室と実地での撮像試験で、180度の視野に対して128×128画素の優れた解像度が得られることを実証した。また、鉛などの遮蔽を使わずに高いコントラストのガンマ線画像を撮ることに成功しており、高い感度を軽い検出器で実現可能である。

以上のことから、超広角ガンマカメラでの実現には高いエネルギー分解能を持つCdTe半導体素子がカギとなったことはわかるかと思うが、これは宇宙科学研究所(ISAS)が1990年代の終わりにアクロラドと共に開発に成功した。そして超広角コンプトンカメラの実現には、ISASと三菱重工業名古屋誘導推進システム製作所と共に開発した高密度実装技術もポイントとなっている。

CdTe半導体はNaI(Tl)シンチレータやゲルマニウム半導体よりも光電吸収効率が高く、吸収体検出器として最適である。また、コンプトンカメラでは散乱体の電子の運動量分布によって角度分解能が制限されるが、Siを使うことで、この効果が軽減され、到達可能な角度分解能はセシウム137からの662KeVでは1-2度程度だ。

画像8と9は、宇宙科学研究所にて行った超広角コンプトンカメラによるイメージング試験結果である。この試験では、3種類の放射性較正線源として、バリウム133(Ba-133)、セシウム137(Cs-137)、ナトリウム22(Na-22)を地面に置いて撮像が行われた。画像8が魚眼レンズをつけたデジタルカメラで撮影したもので、画像9は画像8に超コンプトンカメラの画像を重ねたものだ。

画像8(左)は魚眼レンズをつけたデジタルカメラの写真。左からバリウム133(Ba-133)、セシウム137(Cs-137)、ナトリウム22(Na-22)の放射性較正線源を地面に設置してある。それぞれのエネルギーは、Ba-133が356KeV、Cs-137が662KeV、Na-22が511KeV。画像9は、超広角コンプトンカメラと魚眼レンズのデジタルカメラの画像を重ねたもの(JAXA配付資料)

画像10のエネルギースペクトルに示したように、それぞれの核種から放射されるガンマ線に対して、別々のエネルギーウインドウを設定して解析することで、それぞれの核種の分布を同時に画像化できるのが特徴だ。エネルギーで核種を分離できる能力を活かして、バリウム133が緑、セシウム137が赤、ナトリウム22が青で表示されている。

画像10。Ba-133、Cs-137、Na-22の放射性較正線源を設置した時に超広角コンプトンカメラで得られるエネルギースペクトル。グラフの横軸はエネルギー(KeV)(JAXAの配布資料より抜粋)

続いて、2月11日9時から16時にわたって、福島県相馬郡飯舘村草野地区で行われた、超広角コンプトンカメラを使用した実証実験についてのリポート。測定場所は、飯舘村公民館近くのスーパー裏手(1)、同正面(2)、そして飯舘村草の綿津見神社近辺山林(3)の3カ所だ。測定機器は、超コンプトンカメラに加え、「ガンマプロッターH」(原子力機構)、「電離箱式サーベイメータ」、「GM管」、「管式サーベイメータ」(東京電力)である。

まずどのような場所で、どのような角度で計測したか、というのがGoogleマップの航空写真による画像11だ。3カ所の撮影の詳細は、まず(1)のスーパー裏手の詳細が画像12。そして、超広角コンプトンカメラでの20分、40分、60分のそれぞれの積分イメージが画像13~15。

画像13~15は、スーパーのすぐ脇に側溝があるのだが、そこに雨水などで流されてきて溜まっているのか、放射性物質が多いようで、赤や黄などの高い値を示している箇所がある。ただし、真っ正面から見ているわけではないため、ある程度の範囲の放射性物質からのガンマ線がまとまって積分されてしまうので、正確に位置を割り出すには、2台以上による三角測量が必要だ。

画像11。福島県相馬郡飯舘村草野地区の3カ所で実証実験が行われ、超広角コンプトンカメラによって測定された(JAXAの配布資料より抜粋)

画像12。スーパー裏手の撮影状況と測定データの詳細(JAXAの配布資料より抜粋)

画像13。スーパー裏手での超広角コンプトンカメラによる計測。20分の積算

画像14。同じく40分の積算

画像15。同じく60分の積算

画像16は、ガンマプロッターHを使って、スーパーの周囲を歩いて計測した値。ガンマプロッターHは、地表5cmおよび100cmの位置にプラスチック・シンチレータ検出器がセットされた1.8mほどの高さの錫杖のようなもので、GPSを搭載していることから、地図上に測定地点の放射線量率がプロットされ、容易に放射線量率マップを作成できるという放射線計測器だ。

画像16。放射線計測器ガンマプロッターHを使った、スーパーの周囲の値。測定数78、所要時間21分で計測。(2)の位置も含め、カメラの向きも記してある(JAXAの配布資料より抜粋)

次に、測定ポイント(2)のスーパーの正面(画像17)。そして超広角コンプトンカメラで測定したのが、画像18と19で、40分と60分の積算イメージ。雪が積もっているのだが、その雪がかなり赤いのがわかるが、雪による散乱や遮蔽の影響があるようだ。

画像17。スーパーの正面の撮影状況と測定データの詳細(JAXAの配布資料より抜粋)

画像18。超広角コンプトンカメラによる40分の測定での積分イメージ

画像19。同じく超コンプトンカメラによる60分の積分イメージ

最後の測定ポイント(3)の飯舘村綿津見神社近辺山林の計測情報と計測データの詳細が画像20。超広角コンプトンカメラでは、10分、20分、40分、60分の4回分のデータを掲載(画像21~24))。U字溝内が赤いのが見て取れるが、視線方向に長く伸びているため、先ほども説明したが、広い面積の放射性物質が積分されて赤くなっているところもある。もちろん、その辺りに放射性物質があることは間違いない。また、ここも雪があるため、雪による散乱と遮蔽の影響もある。

画像20。測定ポイント(3)の飯舘村綿津見神社近辺山林の計測情報と計測データの詳細(JAXAの配布資料より抜粋)

画像21。続いて10分

画像22。続いて20分

画像23。続いて40分

画像24。続いて60分

画像25。ガンマプロッターによる測定結果(JAXAの配布資料より抜粋)

今回の超広角コンプトンカメラは、直接放射性物質から飛んでくるガンマ線のみをキャッチできるため、確実に黄から赤にかけての箇所には「周囲よりも」高いということがわかる。絶対的な数値を導き出すのではなく、周囲よりも高い場所を見つけ出すという相対的な測定を行うのに適している。

要は、赤いからといって「何マイクロシーベルト」だとか、具体的な数値をすぐさま出せる、というわけではないということだ。あくまでも、放射性物質が噴き溜まっているような箇所を、可視化することで探し出しやすくするのが、今回の超広角コンプトンカメラの役割で、ほかの測定機器と連動して利用する必要があるということだろう。

また、それぞれ別の地点から複数台で観測することで、より放射性物質が多いところを探し出せるわけだが、試作機をさらにこれ以上作るのはJAXAとしては難しいようだ。よって、JAXAは原子力機構と共に、今後は、東京電力の協力のもとで超広角コンプトンカメラを用いた放射性物質の除染作業や、同カメラの民生転用など、実用化に向けた検討を進めていくとしている。なお、さらに高性能化も可能で、測定にかかる時間を10分の1にすることも可能とも高橋教授は会見で述べていた。

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