JP2008089610A

JP2008089610A - 食品中に微量に含まれるＣｄの濃度を即発ガンマ線分析により迅速かつ簡便に測定する方法

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Publication number: JP2008089610A
Application number: JP2007334117A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kimura; 敦木村; Nobusuke Fuji; 暢輔藤; Masumi Oshima; 真澄大島; Yuichi Hatsukawa; 雄一初川; Mitsuo Koizumi; 光生小泉; Akihiko Cho; 明彦長
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2007-12-26
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】食品中の微量Ｃｄを定量しようとした場合、食品の主成分のひとつである水素からの即発ガンマ線のコンプトン成分にＣｄのピークが隠れてしまい検出感度が悪化する。化学処理により測定の妨害となるＨを取り除くという方法も考えられるが、化学分離を行うことにより即発ガンマ線分析の簡便さという長所が失われること、さらに化学分離の操作を経ることにより、収率等の面で誤差が入り分析の制度に影響を与える可能性がある。
【解決手段】Ｇｄ箔やチョッパーなどを用いてＣｄの吸収断面積のピーク値より低い部分の中性子をカットすることにより即発ガンマ線分析において、ノイズとなるＨのコンプトン成分の影響を低減させる方法、又は¹¹³Ｃｄが同時に強い強度の即発ガンマ線を２本出すこととに着目し、多重ガンマ線検出法と即発ガンマ線分析法を組み合わせることによりＨからのガンマ線を測定しないようにする方法。
【選択図】図５

Description

本発明は、原子核科学の分野で利用される多重ガンマ線解析技術と微量分析の分野で用いられる即発ガンマ線分析技術などを組み合わせることにより、即発ガンマ線分析において重大な欠陥となっている定量精度の悪さを克服し、従来の即発ガンマ線分析に対して１０００倍以上の分解能が得られるものである。これにより、昨今問題となっている食品中のＣｄ濃度を迅速かつ簡便に測定することができ、食品衛生の分野に大きく貢献できるものと期待される。

現在、農作物や土壌中に含まれる微量のＣｄの検出には、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）が一般に用いられている。しかし、ＩＣＰ−ＭＳは一般的に液体もしくは気体の試料を取り扱うものであり、前処理として食品を溶液にするという作業が必要となる。この作業は熟練が必要となる上に時間がかかるという問題点があった。さらに、ＩＣＰ−ＭＳでは、測定が粒子検出によるため、測定されたものが本当にＣｄ起因のものかを確認することができず、微量分析を行う場合その信頼性にかけるという問題点がある。

一方、即発ガンマ線分析は、試料に中性子やその他の粒子線、ガンマ線を照射した際に直ちに放出される即発ガンマ線のエネルギーを測定することにより元素または同位体を分析する方法であり、測定結果に対する信頼性は高い。

この分析法は、１９６０年代にＧｅ（Ｌｉ）半導体検出器が開発されたことと、１９９０年代に低エネルギー中性子ガイドビームが開発されたことから高感度の非破壊検査分析法として大きく発展した。実際、即発ガンマ線分析法はＩＣＰ−ＭＳでは分析が困難な元素の分析に非常に有効であるとともに、中性子照射量が少なく試料の放射化がほとんど無視できるため非破壊で多元素が分析できるという優れた特徴を持ち、考古学試料のような貴重なものや、隕石・岩石などの分解が困難な試料の分析に広く利用されている。

従来の即発ガンマ線分析（例えば、下記非特許文献１、２及び３参照）においては、励起した原子核から放出される即発ガンマ線をＧｅ測定器で測定し、横軸をエネルギー、縦軸をそのガンマ線を検出した回数（カウント数）とした一次元スペクトルを作り測定を行う。即発ガンマ線のエネルギーは原子核により決まっているので、該当するエネルギーの即発ガンマ線のカウント数から該当する元素・同位体の定量を行う。

ここで、食品中のＣｄの分析を考えた場合、¹¹³Ｃｄは主に５５８．５ｋｅＶと６５１．３ｋｅＶに２本のガンマ線（多重）を出す。一方、食品の主成分のひとつである水素は２２２３．３ｋｅＶと¹¹³Ｃｄよりも高エネルギーなガンマ線を出す（Ｃは断面積が小さいため大きな影響を与えない）。そのため、図１にあるように、Ｈからの即発ガンマ線のコンプトン成分が出てくる領域にＣｄの光電ピーク（中性子が当たった時に出る即発ガンマ線のエネルギーのピーク）が来るため、そのコンプトン成分の揺らぎがノイズとして乗るので、Ｃｄの検出感度が悪化する。

現在でもこのようなコンプトン成分を除去すべく、検出器の外周にシンチレータ検出器等を設置しコンプトン成分がなるべく検出されないようにしているが、それでも十分ではなく、Ｈのコンプトン成分がＣｄの検出限界を決定している。そのため、何の対策もなく食品の即発ガンマ線分析を行った場合、適用可能領域に大きな制限があった。
ＩＡＥＡ国際核データ委員会報告書ＩＮＤＣ（ＮＤＳ）−４１１（２０００）及びＩＮＤＣ（ＮＤＳ）−４２４（２００１）Ｊ．Ｋ．Ｔｕｌｉ："Ｐｒｏｍｐｔｇａｍｍａｎｅｕｔｒｏｎａｃｔｉｖａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ"，ＥｄｉｔｂｙＺ．Ｂ．Ａｌｆａｓｓｉ，ＣＣｈｕｎａ．ｐｐ．１７７（１９９５）米沢仲四郎著「原子炉中性子による即発ガンマ線分析」、分析化学Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．２，ｐｐ．６１−９６（２００２）

上記で示したように、食品中の微量Ｃｄを定量しようとした場合、食品の主成分のひとつである水素からの即発ガンマ線のコンプトン成分にＣｄの光電ピークが隠れてしまい検出感度が悪化する。化学処理により測定の妨害となるＨを取り除くという方法も考えられるが、化学分離を行うことにより即発ガンマ線分析の簡便さという長所が失われること、さらに化学分離の操作を経ることにより、収率等の面で誤差が入り分析の制度に影響を与える可能性がある。

そこで、本発明においては、Ｇｄ箔やチョッパーなどを用いてＣｄの吸収断面積のピーク値より低い部分の中性子をカットすることにより即発ガンマ線分析において、ノイズとなるＨのコンプトン成分の影響を低減させる手法と、¹¹³Ｃｄが同時に強い強度の即発ガンマ線を２本出すこととに着目し、多重ガンマ線検出法と即発ガンマ線分析法を組み合わせることによりＨからのガンマ線を測定しないようにする手法の二つを提案する。

Ｈの即発ガンマ線のコンプトン成分を低下させる手段として、以下の二つを提唱する。

ひとつは、¹¹³Ｃｄが他の一般的な原子核と異なりエピサーマルの領域で吸収断面積のピーク（０．２ｅＶ）を持つことに着目し、Ｇｄ箔やチョッパーなどを用いてＣｄの吸収断面積のピーク値より低い部分の中性子をカットすることにより、即発ガンマ線分析においてノイズとなるＨのコンプトン成分の影響を低減させる手法である。

もう一つは¹¹³Ｃｄが同時に強い強度の即発ガンマ線を２本出す（Ｈは１本しかガンマ線を出さない）ことに着目し、多重ガンマ線検出法と即発ガンマ線分析法を組み合わせ、中性子により試料の原子核を励起し、そのときに出す即発ガンマ線を多重ガンマ線検出装置により測定し、Ｈからのガンマ線を測定しないようにする方法である。

前者は、図２に示されるように、Ｃｄの安定同位体のひとつである¹¹³Ｃｄが、Ｈなどほかの一般の原子核と異なり、エピサーマル領域（０．０２５〜１ｅＶ）で吸収断面積に幅広いピークを持つことに着目する（即発ガンマ線の出し易さは、吸収断面積に比例し、この吸収断面積が大きい程即発ガンマ線を出し易い）。

一般に原子炉などから導かれる中性子は、熱外からエピサーマルの領域にかけて幅広いピークを持っている。図３に示されるように、Ｈなど多くの元素が１／ｖ則と呼ばれる吸収断面積の傾向を持ち、中性子のエネルギーが低くなればなるほど吸収断面積が大きくなる。それに対して、¹¹³Ｃｄはエピサーマル領域に吸収断面積の細いピーク（０．２ｅＶ）を持つ。原子炉からの中性子をそのまま用いた場合、Ｈの吸収断面積が大きい中性子もそのまま試料に照射されるため、Ｈの即発ガンマ線が大量に発生し検出限界を下げてしまう。

ここで、０．１ｅＶ以下の中性子をカットするようなチョッパーや、１ｕｍ程度のＧｄ箔を用いれば、試料に当たる中性子はほとんど０．１ｅＶ以上になる。この領域では、エピサーマルの領域に比べて、Ｈの中性子吸収断面積に対してＣｄの中性子吸収断面積が相対的に大きくなる。つまり、Ｈ、Ｃｄ両方とも即発ガンマ線の発生量は少なくなるが、Ｈの即発ガンマ線の方が格段に少なくなり、その結果検出限界が向上する。

後者は、¹¹³Ｃｄが同時に強い強度の即発ガンマ線を２本出すのに対してＨは１本しかガンマ線を出さないことに着目し、図４に示されるように、試料の周辺に複数の検出器を置くことにより即発ガンマ線の同時測定を行い、同時計数したものについてそれぞれのエネルギーを軸にして２次元のマトリクスを形成する。こうすることにより、Ｈの影響を落せるだけでなく、Ｈ以外のものでたまたまある確率で同時計数となってしまったものは、すべてのエネルギーに一様に出るため、ノイズの値が数カウント以下にまで低減され、微弱な信号まで検出することができる。

しかし、２次元のマトリクスを作成することは特殊な測定装置を必要とし、測定系に大きな負担をかける。そこで、同時計数を行う２本のガンマ線を、対象となる即発ガンマ線の特定の中性子エネルギーに限定し、そのエネルギーのガンマ線が来たときだけもう一本のガンマ線のエネルギーを記録し、１次元のマトリックスを作成する。この手法により、検出できる原子核は限定したエネルギー（検出器で計測される即発ガンマ線のエネルギー）の範囲にあるものに限定されるが、測定系に大きな負担を与えることなく容易に高分解能を達成することができる。

本発明の測定法は、化学的な前処理が要らないなどの長所を持つため特殊な技術が要らず、昨今問題となっている食品中のＣｄ濃度を迅速かつ軽便に測定することができ、食品衛生の分野に大きく貢献できるものと期待される。

又、本発明により従来法に比べて１０００倍以上の分解能を達成することができる。さらに、本測定法は、化学的な前処理が要らないなどの長所を持つため特殊な技術が要らず、昨今問題となっている食品中のＣｄ濃度を迅速かつ軽便に測定することができ、食品衛生の分野に大きく貢献できる。

本発明の検出方法においては、図５に示されるように、原子炉からの中性子ビーム１上にＧｄ箔もしくはチョッパー２を設置し、Ｃｄ測定に最適な中性子エネルギーのみを試料に当てるようにする。その後方に試料３を設置し、それを取り囲むように複数のガンマ線検出器４を設置する。そのとき測定されたガンマ線のエネルギーがＣｄからの即発ガンマ線のうちのどちらかのエネルギーであれば、ゲートを一定時間作成し、ゲートが開いている間に測定されるガンマ線のエネルギーを用いて１次元のスペクトルを作成する。具体的な手法のフローチャートの例を図６に示す。こうすることにより、即発ガンマ線を１本しか出さないＨは、偶然同時にＣｄと同じエネルギーのガンマ線が検出され、ゲートが作成されたときに検出器に入らない限り測定されることはない。

即ち、図６では、次の各操作が行われるが、これは検出方法のフローチャートではなく、各検出器ごとのフローチャートであるので、他の検出器で放射線の検出があるかどうかを確認するフェーズが入っている。

（１）Ｇｅ検出器に信号が入る。
（２）そのガンマ線のエネルギーを求める。
（３）他の検出器からゲート信号が出ているかを確認する（各検出器ごとのフローチャートであるので、他の検出器からの信号の有無を確認する必要がある）。

（４）ゲート信号が出ていれば、この信号は二本目で同時計数が成立しているので、検出したエネルギーを一次元スペクトルに記録する（Ｃｄのエネルギー以外の偶発事象も分解能の確認などに必要となるので、記録する。）
（５）ゲート信号が出ていなければ、この信号は一つ目のガンマ線なので、Ｃｄの即発ガンマ線のエネルギーかどうかチェックする。

（６）Ｃｄの即発ガンマ線のエネルギーなら、同時計数を測定する必要があるので、すべてのガンマ線検出器に対して一定時間のゲートを作成する（この間にガンマ線が検出されれば、上記（４）の処理でエネルギーが記録される）。

（７）Ｃｄエネルギーでなければ、Ｈなど他の原子核から出たもので、ノイズの事象なので破棄する。

コンプトン散乱と検出精度の関係を示す図である。 ¹¹³Ｃｄの中性子エネルギー吸収断面積を示す図である。Ｈの中性子エネルギー吸収断面積を示す図である。多重ガンマ線検出の原理を示す図である。本発明のＧｄ箔又はチョッパを用いて試料に照射する中性子ビームを部分的にカットする状態を示す図である。本発明の手法により即発ガンマ線の１次元スペクトルを作成するフローチャートを示す図である。

Claims

食品中に微量に含まれるＣｄの濃度を即発ガンマ線分析により測定する方法において、中性子ビームの照射により試料の原子核を励起し、そのときに出すＣｄの即発ガンマ線を複数の多重ガンマ線検出装置により測定して、Ｃｄを定量する方法。
前記中性子ビームが照射された試料から得られるＣｄの即発ガンマ線を、前記試料を中心にして放射状に配置された複数の即発ガンマ線検出装置を用いて検出する請求項１に記載の方法
前記中性子ビームが照射されたＣｄから得られる２本の即発ガンマ線のうち、一方のエネルギーを有する即発ガンマ線を検出したときにだけ、他方の即発ガンマ線のエネルギーを記録し、１次元のマトリックスを作成する請求項１又は２に記載の方法。