放医研、放射性セシウムを可視化する「特性X線カメラ」の開発に成功

放射線医学総合研究所(放医研)は1月23日、放射性セシウム(Cs-137およびCs-134)を可視化するカメラ「特性X線カメラ」の開発に成功したと発表した。

成果は、放医研 研究基盤センターの小林進悟研究員らの研究チームによるもの。研究の詳細な内容は、1月28日から30日まで開催される応用物理学会・放射線分科会並びに電気学会・原子力技術委員会で共催される研究会「放射線検出器とその応用」で発表される予定だ。

東京電力 福島第一原子力発電所(福島原発)の事故による放射性物質は福島県および周辺の地域に飛散し、現在でも除染が必要な状況が続いている。また、福島原発の原子炉廃止措置では放射性物質による汚染を厳重に管理し、作業を進める必要がある。

よって、除染作業や汚染管理において、放射性物質の存在を可視化できるカメラは、放射性セシウムの分布状況を把握するための有効な装置の1つと考えられている。これまでさまざまなメーカーや研究機関、大学などにおいて放射性物質を可視化するガンマカメラやコンプトンカメラといった装置の開発が進められ、一部販売もされてきた。

Cs-137やCs-134などの放射性セシウムはガンマ線を放出するが、ガンマカメラやコンプトンカメラは、そのガンマ線に感度がある半導体や「シンチレータ」を撮像素子として用いて、ガンマ線を検出することで放射性セシウムを可視化する仕組みだ。シンチレータとは、放射線が物質に衝突した際に物質に移動する放射線の持つ一部のエネルギーを源として、紫外線や可視光線を放出するように成分を調整した物質である。ヨウ化ナトリウムに微量のタリウムを混ぜた「NaI(Tl)」などがその代表。

ガンマ線は可視光のおよそ10万から100万倍のエネルギーを持ち、物体を通り抜ける力が強く、検出器に反応せずに透過し、検出されないこともあることから、検出素子を厚くして透過力の高いガンマ線をとらえる必要がある。さらに、視野以外の方向から飛び込んでくるガンマ線を遮ることも必要で、撮像素子の周囲を鉛などの重い材料を使って遮蔽材として囲むことで「ピンホールカメラ」(画像1)構造を取る必要があり、感度の高いガンマカメラは必ず重くなるという欠点があった。

ピンホールカメラは、子どもの頃に学校の理科の時間や、科学雑誌の学習教材などで作ったことがある人もいるかも知れないが、簡単にその仕組みを説明すると、箱の中の片側に撮像素子(写真フィルムやCCD)を設置し、反対側に小さな穴(ピンホール)を開けることで構成されている。この時、箱はピンホール以外から光が撮像素子に入り込まないようにするための遮蔽材として働いているというわけだ。

写真を撮るということは、光がどの方向から、どのような強度でカメラ(撮像素子)まで到達しているのかを知ることであるが、前者はピンホールの位置と撮像素子が感光した位置を、後者は撮像素子が感光した光の量を測定することで実現できる。このような可視光のピンホールカメラと同様で、ガンマ線を遮る箱とガンマ線に感度のある撮像素子を使えば、ガンマ線で撮像ができるというわけだ(ただし、倒立した画像になる)。

福島原発の事故以前から販売されているガンマカメラは一般的に15kg前後と重いが、現地で実用的な感度を得るためには遮蔽材をさらに厚くしなければならず、重いものになると30kgほどになり、機動的な運用を行うのは厳しい状況である。

また、重量を増やさずに感度を上げる方法として古くから「コンプトン散乱現象」を利用したコンプトンカメラの研究開発が進められてきた。しかし、コンプトンカメラも短所が存在し、仕組みが複雑なため、実用的な検出素子を製作するとコストの増大を招いてしまうのである。

以上のことから、放射性セシウムを可視化することができ、軽量で十分な感度を持ち、さらに低価格といった3つの特徴を兼ね備えたカメラを実現するのは困難だった。

放医研は、これまで福島県を中心とした現地でさまざまな活動をしており、その経験から現地に広く普及できるような、軽量、十分な感度、低価格の3拍子そろった放射性物質可視化カメラの開発が重要であると認識するに至ったという。そこで、これまでのガンマカメラやコンプトンカメラの欠点を克服した"第3のカメラ"である特性X線カメラの開発に着手し、現地の関係者や大学などの協力を得て、開発を進めたというわけだ。

ガンマカメラやコンプトンカメラは、ガンマ線を検出して放射性セシウムを可視化する。一方で、今回開発された特性X線カメラは、ガンマ線の代わりに、放射性セシウムが放出する「特性X線」を検出することで可視化する原理だ。Cs-137とCs-134の多くはエネルギーが600～800keVのガンマ線を放出するが、32keVの特性X線も放出している。この特性X線はガンマ線と比べると放出量はわずかだが、ガンマ線に比べてエネルギーが低いため、容易に検出したり遮蔽したりできる点に着目したというわけだ。

特性X線を検出できる検出素子を厚さ数mmのステンレスなどの遮蔽材で囲うことでピンホールカメラを構成したのが特性X線カメラだ(画像2)。特性X線カメラの特徴は、放射性セシウムからのガンマ線はカメラを透過するようにして、特性X線に対してのみピンホールカメラとして作用するように設計されている点だ。このため、ガンマカメラ(画像3)のように厚く重い遮蔽体や検出素子が必要ないことから軽量となり、特性X線だけをとらえて放射性セシウムを可視化できるというわけである。

特性X線カメラとガンマカメラは、遮蔽材の前面に開けられたピンホールを通過した放射線を検出し可視化を行うピンホールカメラであることは一緒だ。ただし前述したように、ガンマカメラの遮蔽材と検出素子は、透過力の高いガンマ線を吸収するように設計されるために重くなる。一方で、特性X線カメラの検出素子および遮蔽材は、特性X線を吸収し、ガンマ線は透過するように設計されている。特性X線は透過力が弱いために、遮蔽材および検出素子は薄くて済むため、特性X線カメラは軽量になるというわけだ。

また、放射性セシウムの特性X線(32keV)を高い効率で検出できる検出素子は容易に入手可能である。遮蔽材と同様に、検出素子の種類選択および厚さや大きさ・形状の最適化が行われ、その結果として特性X線を90%以上の効率で検出することが可能となり、ガンマ線への感度は1%以下とされた。これにより、放射性セシウムに高い感度を持つカメラの製作に成功したのである。

画像4が試作機で、サイズは225mm×175mm×242mm、本体重量は6.6kgだ。現在除染で使用されているガンマカメラよりも同程度以上に小型・軽量であり、後述のとおりバックグランドと同程度の空間線量率を与える線源であれば5秒前後で識別できる十分な感度を有する。

さらに、今回開発された試作機は高価な半導体素子が使用されておらず、入手が容易で比較的安価なシンチレータと「光電子増倍管」(物質に光が当たると電子を放出する「光電効果」を利用した光センサ)を用いることで低コスト化が図られており、販売価格は従来のガンマカメラやコンプトンカメラが1000～3000万円であるのに対し、500万円以下になると見込まれいる。

放射線管理区域内(空間線量率0.07μSv/h)において、試験用のCs-137の密封線源(1MBq)を特性X線カメラから約1.3mの距離に置いた場合、特性X線カメラがある位置ではサーベイメータで測定すると空間線量率が約0.05μSv/h増加し0.12μSv/hという測定値が出たことから、放射線管理区域内の空間線量率(0.07μSv/h)と密封線源が与える線量(0.05μSv/h)はほぼ同じ大きさだ。

画像5は特性X線カメラの操作パネルを示したもので、左上の屋内風景が前述した条件において5秒間露光したものだ。この条件下では5秒前後で密封線源の方向が探知可能であることが示されている。カメラの使いやすさを考慮して、タブレットPCのタッチパネルから特性X線カメラを操作できるソフトウェアの開発も進められているという。タッチパネル上から、カメラ撮影と保存、放射性物質の分布状況の確認、X線エネルギー情報を確認することが可能だ。

これまでの性能評価から現地の居住制限区域(空間線量率3.8-9.5μSv/h)において、直径1.5mにわたり周囲よりも10倍の放射性セシウムが蓄積している場所を、特性X線カメラは3mの距離から10分以内に計測が可能と予測されている。従って、ホットスポットを除染する際の前後で効果の確認に使用すれば有用であると考えられるという。

例えば、放医研が開発に携わった高速ホットスポットモニタ「R-eye」によりホットスポットを探索し、特性X線カメラによりホットスポットの可視化と除染後の確認を行うことができると期待されるとした。また、原子炉廃止措置において作業で生じるがれきの汚染確認や作業現場での汚染管理に使用できるものと考えているという。

今後は、試作機の製品化に向けて必要な技術の確立を行い、データ解析方法の改善も実施してさらに感度を向上させ、現地での試験を重ねてゆく予定とした。