JP4281088B2 - ラジオ・ルミネッセンスを利用したｉｎ−ｓｉｔｕ高耐久性高感度放射線照射領域解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、放射線照射により得られる照射像の三次元的な形状を解析する方法に関するものであって、より具体的には、放射線照射領域及び放射線強度をin-situで三次元的に計測するための方法に関する。本発明の方法は、原子力関連施設、放射線利用施設、宇宙ステーションをはじめとした航空宇宙分野における宇宙放射線環境場等で利用することができ、また、深海探査等の海洋分野における放射線による損傷評価や微量元素の元素分析技術としても利用可能である。

従来の二次元に配置されたCCDなどの半導体検出器は、一次光を直接検出するか、又は蛍光板などからの二次光を検出するものであるが、これらの検出器や蛍光板では、放射線損傷による原子・分子のはじき出しや欠陥形成などが主な原因となり長寿命化が困難であった。

また、従来の放射線照射計測方法では、二次元の空間情報を光学像として直接捕らえなければならなかったので、散乱光などからは、照射像を再現することは不可能であった。
更に、通常、放射線照射中の施設内への立ち入りは禁止されており、計測装置の設置が不可能であったことから、放射線発光分析装置による分析例はこれまでに存在しない。

従って、本発明の目的は、従来の方法では不可能であった放射線照射による照射像の三次元的な形状（照射領域の縦×横×深さの三次元情報）を、長寿命の素子で、簡便に、in-situで計測することにある。

本発明者らは、上記した従来技術の課題を解決するため鋭意研究を行った結果、放射線照射により得られる照射像の三次元的な形状を解析する方法に関する本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、放射線蛍光特性を示す遷移金属を含んだ耐熱性ターゲットに放射線を照射し、そのときラジオ・ルミネッセンスにより遷移金属から発せられる蛍光の蛍光波長及び強度を観測することにより、放射線が照射されている部分の形状と放射線の強度とを測定する方法であって、放射線蛍光特性を示す遷移金属を薄膜により三次元的に含有させた金属酸化物の耐熱性ターゲットに放射線を照射して、発せられる蛍光を計測することを特徴とするものである。

本発明の解析方法は、イオン加速器施設、例えば、日本原子力研究所のイオン照射研究施設であるTIARAなどにおいて、イオンビームの形状・強度を調整するためのモニター技術として利用することができる。

また、本発明の解析方法は、原子力関連施設、放射線利用施設、宇宙ステーションをはじめとした航空宇宙分野における宇宙放射線環境場等で利用することができ、また、深海探査等の海洋分野における放射線による損傷評価や微量元素の元素分析技術としても利用可能である。

本発明は、放射線照射により得られる照射像の三次元的な形状を解析する方法に関する発明であって、放射線蛍光特性（ラジオ・ルミネッセンス）を示す遷移金属を三次元的に含有させた耐熱性ターゲットに放射線を照射して、発せられる蛍光を計測することを特徴とするものである。ここで、本発明において、「照射像の三次元的な形状」とは照射領域の縦×横×深さの三次元情報をいうものとする。本発明にしたがえば、放射線が照射されている領域の二次元分布を解析することができる。

本発明においては、遷移金属、ターゲット、蛍光波長の範囲が重要な項目である。
本発明に用いることができる放射線蛍光特性を示す遷移金属としては、例えばクロム（Cr）又は亜鉛（Zn）があげられる。放射線蛍光特性を示す遷移金属を三次元的にターゲット内に配置することにより、ターゲットへの放射線照射により発せられる蛍光の三次元データを取得することができる。この三次元データを用いることにより、照射像の三次元的な形状、すなわち、放射線の照射面及び照射量の三次元的な解析が可能となる。放射線蛍光特性を示す遷移金属は、一種のみを用いるか又は異なる放射線蛍光特性を示す複数種を使用してもよい。複数の遷移金属を三次元的にターゲット内に配置して放射線照射を行い、異なる蛍光波長を選別して、照射量と蛍光強度との相関を解析することにより、三次元の空間情報を一次元の波長−蛍光強度特性に変換することができる。これにより、場所による照射強度分布が明らかとなり、更に波長分析によりどこに配置された発光元素に由来するものかが分かることから、放射線被曝時の線量当量を詳細に評価することが可能となり、放射線計測技術の向上を図ることができる。本発明の特定の応用として、身体への影響を詳細に分析することにより、放射線治療等に資することができる。

また、本発明において用いることができる耐熱性ターゲットは、典型的には金属酸化物又はセラミックスであり、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）があげられる。また、これ以外にカプトン膜（ポリイミド）も使用することができる。耐熱性のターゲットを用いることにより、照射による劣化などを軽減させることができる。更に、遷移金属を含有する金属酸化物は、放射線照射に関して高耐久性で長寿命である。

耐熱性ターゲットに、放射線蛍光特性を示す遷移金属を三次元的に含有させるためには、粉末状ないし繊維状の繊維金属を重量比で約0.1％〜10％程度、ターゲット原料（金属酸化物、セラミックス粉末ないしカプトン膜）中に添加・混合し均一に混ぜ合わせ、その後この混合粉末ないし溶液を前者では高温高圧で焼結、後者では重合硬化させてターゲット形状に加工する。

本発明においては、具体的には、放射線蛍光特性を示す遷移金属を含んだ耐熱性ターゲットに放射線を照射し、そのときラジオ・ルミネッセンスにより遷移金属から発せられる紫外・可視・赤外光の蛍光について、その蛍光波長及び強度を適切な計測機器で観測することにより、放射線が照射されている部分の形状と、放射線の強度とを測定する。本明細書中において「放射線」とは、電子線、軽イオン、重イオンをいう。また、本発明は、イオン種及びイオンの加速エネルギーに依存せず、特に、容易にターゲット材の損傷を招来する重金属イオン（Zr等）を使用できる点で有用である。

計測により得られた蛍光波長に関して、その後の計測において特定の蛍光波長範囲を採用することにより詳細な情報を得ることができる。
図１に、本発明の解析方法を実施するための計測系配置の一態様を示す。

図１によれば、真空槽の中に耐熱性ターゲットを配して放射線照射を行う。このとき、ターゲットを支点に放射線の照射軸と60度をなす角度方向でターゲットから20cmの距離の真空槽外部に設置された、バンドルされた光ファイバーを用いて、放射線照射により発せられる蛍光を集光レンズを介して観測する。蛍光測定のためには、光ファイバー以外の当技術分野において既知の計測機器も使用することができるが、光ファイバーを用いる場合は長寿命である耐放射線性光ファイバー素子を使用する。計測機器をターゲット位置から距離を隔てて置き、蛍光を計測することにより、放射線による損傷を軽減し計測機器の寿命を長期化することができる。角度、距離などの計測機器とターゲットの位置関係は、適宜決定することができる。

図１において、蛍光を光ファイバーにより分光器へと伝達し、コンピュータに情報を蓄積、分析する。
図１に示す計測系によれば、照射ターゲットからの蛍光をin-situで簡便に連続的に計測できることから、放射線照射中に発生する蛍光をin-situで測定することにより、放射線の照射範囲及び強度を長時間連続で計測することができる。ここで、本明細書中において「in-situ」とは、高放射線下や高真空中でリアルタイムに連続計測できることを意味する。

また、本発明の解析方法によれば、ターゲットからの蛍光情報を校正値とし、放射線の線種及びエネルギーを変化させることにより、微量元素の成分分析が可能となる。
具体的には、高純度の分析対象元素から複数の蛍光情報をその波長を含めて取得し、その発光強度と量との関係で校正情報を加速イオン種とその加速エネルギーの関係として得ておく。次いで、分析対象物に特定の加速イオン種を照射し、その際得られる発光の波長、分布、及び強さのデータを得ることにより、分析対象物の元素種、量、及び分布に関する解析情報を得ることができる。

また、本発明の解析方法にしたがえば、薄膜を重ねたターゲットに関してストッピング・パワーの違いを利用した深さ方向を加えた三次元エネルギーモニターを行うことができる。

具体的には、ターゲットは、薄膜を重ねて形成したものであり、層ごとに各々パターンを有するものである。各層の構成元素は同じでも異なっていてもよい。例えば、三層構造とし、第１層をアルミ、第２層をCr、第３層にZrとすることができる。それぞれ、特定の厚みを持たせてプリント印刷等によりパターンが形成される。

このようなターゲットの片表面を照射した際に、特定の深さ及び箇所からの特定の波長の発光をモニターすることにより、照射深度、箇所、及び加速エネルギーの強さを知ることができる。

また、本発明の方法を実施する計測機器は小型・軽量であることから、簡単に携行設置することができ、このような計測系を原子力発電所や宇宙ステーションの作業員の作業服等に装着・設置して、本発明の解析方法を実施することにより、放射線作業環境下における被曝管理を容易に行うことが可能となる。

以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す装置を用いて本発明を実施した。
すなわち、加速エネルギー1MeVの連続的な水素イオンビームを、高真空槽中で、数％の亜鉛を含んだ酸化アルミニウム（アルミナ）ターゲットに直径10〜20mm程度に集光させて入射した。ターゲットを支点にイオンビームの光軸と60度をなす角度方向で、ターゲットから20cmの距離の真空槽外部に設置された、バンドルされた光ファイバーを用いて、水素イオンビーム照射中の蛍光を集光レンズを介して観測した。本実施例において測定された、紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す蛍光スペクトルを図２に示す。蛍光スペクトルには、692nm付近に非常に強いシャープなクロムのピークが検出された。この素子は数時間の長時間照射による劣化は見られなかった。
（実施例２）
ターゲットとして5〜10%のクロムを含有する酸化ケイ素（SiO₂）ターゲットを用いたこと以外は、実施例１と同様の条件で照射を行い、蛍光を観測した。

本実施例において測定された、紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す蛍光スペクトルを図３に示す。620nm付近にピークが検出された。
（実施例３）
ターゲットとしてリンを5％含んだ酸化ケイ素（SiO₂）ターゲットを用いたこと以外は、実施例１と同様の条件で照射を行い、蛍光を観測した。本実施例において測定された、紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す蛍光スペクトルを図４に示す。実施例２で観察された620nm付近のピークは検出されなかった。
（実施例４）
ターゲットとして0.1〜10wt%程度のクロムを含有する酸化アルミニウムを用い、1MeV水素イオンのビーム強度を減少させてラジオ・ルミネッセンスを計測した。692nmでの蛍光強度変化を図５に示す。発光現象は照射イオン種及び加速エネルギーの影響を受けて変化する。

図１は、本発明の解析方法を実施するための計測系配置の一態様である。 図２は、1MeV水素イオンを照射したときのクロムを含んだ酸化アルミニウムからの紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す。 図３は、1MeV水素イオンを照射したときの酸化ケイ素からの紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す。 図４は、1MeV水素イオンを照射したときのリンを5％含有する酸化ケイ素からの紫外・可視・赤外光のラジオ・ルミネッセンスを示す。 図５は、1MeV水素イオンのビーム強度を減少させたときのクロムを含有する酸化アルミニウムからのラジオ・ルミネッセンス（692nm）の蛍光強度変化を示す。

Claims (8)

1. 放射線蛍光特性を示す遷移金属を含んだ耐熱性ターゲットに放射線を照射し、そのときラジオ・ルミネッセンスにより遷移金属から発せられる蛍光の蛍光波長及び強度を観測することにより、放射線が照射されている部分の形状と放射線の強度とを測定する方法であって、放射線蛍光特性を示す遷移金属を薄膜により三次元的に含有させた金属酸化物の耐熱性ターゲットに放射線を照射して、発せられる蛍光を計測することを特徴とする方法。
2. 耐熱性ターゲットが、異なる放射線蛍光特性を示す複数種の遷移金属を含有する、請求項１記載の方法。
3. 遷移金属がクロム又は亜鉛である、請求項１に記載の方法。
   
4. 放射線が、電子線、軽イオンビーム又は重イオンビームである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ターゲット位置から距離を隔てて蛍光を計測することにより、放射線による計測機器の損傷を軽減し寿命を長期化できることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 放射線照射中に発生する蛍光をin-situで測定することにより、放射線の照射範囲及び強度を長時間連続で計測できることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. ターゲットからの蛍光情報を校正値とし、放射線の線種及びエネルギーを変化させることにより、微量元素の成分分析が可能であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 薄膜を重ねたターゲットのストッピング・パワーの違いを利用した深さ方向を加えた三次元エネルギーモニターを行う、請求項１に記載の方法。
   

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