JP5400988B1 - 放射性物質検出装置、放射線源位置可視化システム、および放射性物質検出方法 - Google Patents
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Abstract
Description
図1(A)は、放射線検出用素子の厚みの下限値R1を示し、図1(B)は、放射線検出用素子の厚みの上限値R2を示している。いずれのグラフも、横軸は放射線検出用素子の厚み(平均自由行程λにより規定)を示し、縦軸は、特性X線の検出効率(以下S)の二乗と、134Csと137Csからのγ線が特性X線のエネルギーの領域(20−40keV)に付与するノイズ量(N)の比を放射線検出用素子の厚みが10mmの時で規格化した値(以下、S2/N)を示す。一般にS2/Nが大きいほど短時間で高い精度で特性X線を検出でき、すなわち感度が高いことを表す。また、いずれのグラフについても、放射線検出用素子の素材として、ヨウ化セシウム(以下、CsI)、カドミウムテルル(以下、CdTe)、ビスマスジャーマネイト(以下、BGO)、ヨウ化ナトリウム(以下、NaI)、イットリウム−アルミニウム−ペロブスカイト(以下、YAP)を用いた結果を示している。
また、この放射線検出用素子の厚みは、γ線が放射線検出用素子と全く相互作用せずに透過する割合(以下透過率)の観点からみると、計測対象とする放射性物質が最も高い割合で放出するγ線を87%以上透過することが好ましく、同γ線を95%以上透過することがより好ましい。
一方、本発明では、放射線検出用素子の厚みが0.14λ2以下で動作が可能であり、かつ特性X線に対して容易に80%以上の効率を得ることができる。このため、放射線検出用素子を大幅に軽量化することができる。
また、例えば、放射線検出用素子CsIの位置におけるγ線による空間線量率が100μSv/hを下まわる環境で計測する場合には、有感面積が少なくとも0.3cm2以上であることが好ましく、有効面積を1cm2以上とする、有効面積を5cm2以上とする、有効面積を12cm2以上とする、有効面積を96cm2以上とすることができる。
同様にして、放射線検出用素子CsIの位置における空間線量率がXμSv/hを下まわる環境で計測する場合には、有感面積が少なくとも(29×X−0.98)cm2以上(ただしX>100μSv/h)であることが好ましい。他の種類の放射線検出用素子に対してもCsIと同程度の有感面積が必要となる。
なお、測定時間を長くしてもよい場合や統計誤差が大きくても良い場合には、放射線検出用素子の有感面積を小さくすることができる。また例示した必要な有感面積は、有効面積16.6cm2、厚み1mm、エネルギー分解能が32keVにおいて10.5keVの放射線検出用素子CsIを、前記CsIの位置におけるγ線による空間線量率が5μSv/hと16μSv/hの環境で計測した結果に基づいて近似的に推定されるものである。
一般に、コリメータは、平板状の部材に穴があけられており、遮蔽容器にとりつけることで、特定方向から入射した大部分の放射線等を穴によって通過させ、特定方向以外から入射した大部分の放射線等を穴の周囲の部材によって排除する働きがある。いいかえれば、コリメータにより視野が制限される。X線やγ線の場合には、コリメータの厚み(有効厚)は、コリメータの視野を決めるひとつのパラメータである。ここで、特定方向とは、測定しようとする方向であって、コリメータと遮蔽容器で定められる方向、または遮蔽容器によって定められる方向である。
前者には、ひとつの穴を有するシングルコリメータ(図12のシングルコリメータ121参照)や複数の穴を有するマルチコリメータ(図5のコリメータ21参照)等がある。ここで有効厚とは、シングルコリメータやマルチコリメータでは、穴の側壁の厚みのことをいう。別の言い方をすれば、任意の方向からの放射線がコリメータ部材へ入射した際に、その入射点(ただし、コリメータの特定方向側前面、または、後面に入射した場合は除く)におけるコリメータ部材の厚み(特定方向に対して垂直方向の肉厚)の平均のことをいう。
後者には、後述するピンホールコリメータやコーデットマスク型コリメータ等がある。また、ピンホールコリメータやコーデットマスク型コリメータでは、有効厚とは、コリメータの板厚のことをいう。別の言い方をすれば、任意の方向からの放射線がコリメータ部材へ入射した際に、その入射点(ただし、穴の側壁、または、コリメータの外周側面に入射した場合は除く)におけるコリメータ部材の厚み(特定方向に対して平行方向の肉厚)の平均のことをいう。
これに対し、本発明は、コリメータの有効厚が0.22λ6以下で動作可能なため、コリメータを大幅に軽量化することができる。
図3(B)に示すように、低エネルギー領域では、133Baの崩壊(娘核種133Cs)に伴い生じるCsの特性X線のピークP1(31keV)およびピークP2(35keV)、137Csの崩壊(娘核種137Ba)に伴い生じるBaの特性X線のピークP3(32keV)およびピークP4(36keV)が生じている。
本発明は、放射線検出用素子の厚みを、γ線が十分に透過しつつ特性X線を十分に検出できる厚みとしている。また、遮蔽体の厚みを、γ線が十分に透過しつつ特性X線は十分に遮蔽する厚みとしている。このため、高エネルギー領域のγ線は、殆どが遮蔽体を透過し、全方向から到来して放射線検出用素子に入射する。高エネルギー領域のγ線は、殆どが放射線検出用素子を透過するものの、一部が放射線検出用素子と相互作用し、検出される。この一部のγ線を検出したデータを、放射性物質の種類(親核種の種類)の特定に利用する。
特性X線やγ線のそれぞれのエネルギーおよびγ線と特性X線の放出比は、放射性物質に固有な量をもつ。また、γ線と特性X線の検出効率は、放射性物質検出装置に固有である。特性X線ピーク推定方法は、この法則を利用して特性X線のエネルギーと強度を推定する。
例えば、133Baと137Csの2種類の放射性物質が混在している場で計測する場合を考える。高エネルギー領域のγ線スペクトルから放射性物質133Baと137Csが放射性物質検出装置の周囲に存在することを認識し、その2種類の放射性物質が放出する特性X線のエネルギーと強度を推定する。すなわち、存在を認識した放射性物質133Baと137Csについて、例えば、放射性物質が地面上に一様に分布しているとの仮定をし、それぞれが放出する特性X線のエネルギーを公知のデータベースから抽出し、さらにγ線と特性X線の放出比およびγ線と特性X線の検出効率を用いた演算を行うことで、個々の特性X線強度を推定する。
一方で、例えば137Csと134Cs(娘核種はそれぞれ137Baと134Ba)が混在している例では、娘核種の原子番号が両者で等しく両者は同じエネルギーの特性X線を放出するために、特定領域に存在する放射性物質の種類(親核種の種類)を特定し、それぞれの量を分離して検出し、独立に定量することはできない。しかし、高エネルギー領域のγ線スペクトルを用い第2の特定方向放射性物質特定方法を行なえば、低エネルギー領域の特性X線スペクトルだけを用いた場合(低エネルギー領域放射性物質特定方法による第1の特定方向放射性物質特定方法)と比べてより特定することができる。すなわち、特定方向に存在する放射性物質は、低エネルギー領域放射性物質特定方法による第1の特定方向放射性物質特定方法では娘核種がBaであることしか判別できないが、高エネルギー領域の情報を用いた第2の特定方向放射性物質特定方法では放射性物質の種類(親核種の種類)が137Csあるいは134Csの両方、あるいはいずれか一方であることを特定することができる。
この発明の一実施形態を以下図面と共に説明する。
放射線源位置可視化システム1は、放射性物質検出装置2、前置増幅器3、波形整形アンプ4、ピーク敏感型ADC5(サンプルホールド回路またはピークホールド回路6、(マルチプレクサ7)、ADC8)、高圧電源9、コンピュータ10、方向制御駆動部11、カメラ12、入力装置13、およびモニタ14を備えている。図示する放射線源位置可視化システム1は、単素子モジュールの例を示している。
高圧電源9は、放射性物質検出装置2の動作に必要な高電圧の電力を放射性物質検出装置2に供給する。
コリメータ21の穴22と穴22の間部23の厚み、すなわちコリメータの有効厚は、計測対象とする放射性物質が放出する特性X線のコリメータ21中の平均自由行程(λ5)を単位として1.6λ5以上であるように構成され、かつ、計測対象とする放射性物質がもっとも高い割合で放出するγ線のコリメータ21中での平均自由行程(λ6)を単位として0.22λ6以下であるように構成されている。
このコリメータ21と遮蔽容器25が、遮蔽体として機能する。
コンピュータ10の機能ブロックとしては、方向制御部40、カメラ画像取得部41、スペクトル作成部42、ピーク分析部43、二次元画像作成部44、画像合成部45、切替入力処理部46、および画像表示部47が設けられている。
ピーク分析部43は、スペクトル作成部42から受け取ったスペクトルの中から特性X線の単独ピークを探し出し、その正味の計数を求める。あるいは、複数の放射性物質が混在している場においては、ピーク分析部43は、エネルギー分解能が優れる場合であれば複数の特性X線が作る複数のピークを探し出し、エネルギー分解能が優れない場合であれば複数の特性X線が複合して形成するピークを探し出し、その正味の計数を算出する。
スペクトル作成部42は、画像表示部47へマトリクス状に区分けされた各領域で得られた複数のスペクトル画像(この実施例では16個のスペクトル画像)を送信する。
詳述すると、137Csの1崩壊あたりのγ線662keVと特性X線32keVの放出確率は、それぞれ、85.1%と5.6%である。実用化されている従来の多くのガンマカメラは、放出確率が85.1%と高いγ線662keVを検出対象としており、この137Csの662keVに対する検出効率が5%〜10%程度である。この従来のガンマカメラは、仮に大きなサイズの蛍光板(例えば直径50mm×厚さ30mmのNaI)を使用すれば検出効率は30%程度となるが、蛍光板を囲む遮蔽体の重量がさらに増大するため使用に支障をきたす。
これに対し、本発明の放射性物質検出装置2は、137Csの1崩壊あたりの放出確率が5.6%とγ線よりも小さい特性X線を検出対象としながら、検出効率を約80%以上と高くすることができる。これにより、放射性物質検出装置2は、従来のガンマカメラより非常に軽量な構成でありながら、従来のガンマカメラと同程度の計数効率で137Csを検出することができる。さらに、放射性物質検出装置2は従来のガンマカメラと比べて格段に軽量であるために、重量を気にせずに放射性物質検出素子の有感面積、あるいは放射性物質検出装置の台数を容易に2倍、5倍、10倍以上とすることもでき、感度を高めることができる。
<X線(32keV)>
相互作用確率が高い(全体の95%が完全に止まる)。
<γ線(662keV)>
相互作用確率が低い(全体の97%が相互作用せずに透過する)。
<X線(137Cs−32keV)>
相互作用確率が高い(全体の98%が完全に止まる)。
<γ線(137Cs−662keV)>
相互作用確率が低い(全体の94%が相互作用せずに透過する)。
放射性物質検出装置2Aの他の構成要素は、実施例1と同一であるので、同一要素に同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
また、フィルタ29として、特性X線とβ線を遮断するものを用いてもよい。この場合、例えば1mm厚で放射線検出用素子26と同じ面積である直径50mmの円盤状のSUS板を用いることができる。このように特性X線をも遮蔽するフィルタ29を用いる場合は、フィルタ29を装着した状態での計測結果と、フィルタ29を取り外した状態での計測結果の差分を取ることで、ノイズを除去して特性X線のピークを強調することができる。すなわち、フィルタ29が装着された状態での計測結果は、γ線によるノイズを中心に計測できるため、フィルタ29が外された状態の計測結果と差分をとることで、特性X線のみを強調することができる。
放射線検出用素子26Bは、高圧電源9(図4参照)と前置増幅器3(図4参照)に接続され、また方向制御装置11により方向が制御される。
このように構成しても、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
また実施例1と異なり、実施例3では光電子増倍管等の蛍光板を読みだす装置が不要となるため、遮蔽体をさらにコンパクトにすることができる。
コリメータ21C(前方板)は、γ線を十分に透過しつつ特性X線は十分に遮蔽できる厚みをもった薄い材質に中央付近の一か所に穴22Cが設けられたピンホールコリメータである。
また、多素子モジュールとすることで、放射性物質からの特性X線がどの方向から到来しているかを1回の処理で検出することができる。すなわち、どの放射線検出用素子26から検出しているかにより、検出した放射線検出用素子26の前面から穴22Cを繋ぐ直線の方向から、検出した放射線検出用素子26の大きさと穴22Cの大きさで決まる範囲の放射線を検出したことを特定できる。
また、放射性物質検出装置2Cは、コリメータ21Cを、所望の配列で複数の穴22Cが形成されたコーデットマスク型コリメータ(前方板)としてもよい。この場合のコーデットマスク型コリメータの穴の配列等は、文献「New family of binary arrays for coded aperture imaging」(APPLIED OPTICS,Vol.28, No.20,15 October 1989,4344−4352,Stephen R. Gottesman and E. E. Fenimore)に記載されるような配列等とするとよい。
例えば、放射線検出用素子26は、シンチレータや半導体を用いたが、それ以外にも、冷却機器により冷却された半導体等を用いることもできる。
また、遮蔽容器の素材は、SUSに限らず、真鍮または鉛を含む物質等、特性X線を遮蔽する適宜の物質を用いることができる。
2,2A,2B,2C…放射性物質検出装置
12…カメラ
14…モニタ
22…穴
23…間部
25,25C…遮蔽容器
25b…側壁
26…放射線検出用素子
26a…有感部分
44…二次元画像作成部
45…画像合成部
Y…特定方向
Claims (10)
- 特定方向に存在する放射性物質を検出する放射性物質検出装置であって、
前記特定方向に存在してγ線と特性X線の両方を放出する放射性物質から到来する特性X線を吸収して検出し、かつ、前記放射性物質から到来するγ線を透過させる厚さの放射線検出用素子と、
前記特定方向以外の方向から到来する放射線のうち特性X線を遮蔽し、かつ、前記特定方向以外の方向から到来する放射線のうちγ線を透過させる厚さの遮蔽体とを備えた
放射性物質検出装置。 - 前記放射線検出用素子により検出した特性X線のピークを出力するピーク出力部を備えた
請求項1記載の放射性物質検出装置。 - 前記放射線検出用素子は、前記特性X線のピークが観測される少なくとも20keVから40keVの範囲を計測する構成である
請求項2記載の放射性物質検出装置。 - 前記放射線検出用素子は、特性X線の入射方向に対する有感部分の厚みが、前記放射線検出用素子に使用する物質中での計測対象とする放射性物質の特性X線の平均自由行程(λ1)を単位として1.1λ1以上で、かつ、計測対象とする放射性物質が最も高い割合で放出するγ線の前記放射線検出用素子に使用する物質中での平均自由行程(λ2)を単位として0.14λ2以下の範囲に形成されている
請求項1、2、または3記載の放射性物質検出装置。 - 前記遮蔽体の厚みは、計測対象とする放射性物質の特性X線の遮蔽体物質中の平均自由行程(λ3)を単位として1.6λ3以上で、かつ、計測対象とする放射性物質が最も高い割合で放出するγ線の遮蔽体物質中での平均自由行程(λ4)を単位として0.22λ4以下の範囲に形成された
請求項1から4のいずれか1つに記載の放射性物質検出装置。 - 前記遮蔽体は、前記放射線検出用素子の周囲を遮蔽する遮蔽容器、前記放射線検出用素子の検出対象側に設けられるコリメータ、またはこれらの両方で構成され、
前記遮蔽体の厚みは、
前記遮蔽体が複数の穴から構成されているマルチコリメータの場合は穴と穴の間部の厚みを指し、
前記遮蔽体が1つの穴のみを持つシングルコリメータの場合は穴の側壁の厚みを指し、
前記遮蔽体が1つの穴を有して後方に複数の放射線検出用素子が設けられるピンホールコリメータであれば穴が設けられた前方板の厚みを指し、
前記遮蔽体が複数の穴を有して後方に複数の放射線検出用素子が設けられるコーデットマスク型コリメータであれば穴が設けられた前方板の厚みを指し、
前記遮蔽体が前記遮蔽容器の場合は前記放射線検出用素子の少なくとも側方に位置する側壁の厚みを指す、
請求項5記載の放射性物質検出装置。 - 前記特性X線のピークの解析に用いるテンプレートを記憶する記憶部と、
前記テンプレートと前記放射線検出用素子により計測したスペクトルを用いて 前記特性X線のピークを解析する解析部とを備え、
前記テンプレートは、前記特性X線領域のエネルギーよりも高エネルギー側の60−250keVの範囲に位置して前記特性X線のピークよりも強いピーク部分を有するデータである
請求項1から6のいずれか1つに記載の放射性物質検出装置。 - 前記放射線検出用素子により検出したスペクトルのうちγ線領域のスペクトルを用いて放射性物質の種類の候補を特定する候補特定処理を実行し、
前記放射線検出用素子により検出したスペクトルのうち特性X線領域のスペクトルを用いて前記スペクトル内に前記候補特定処理で特定した放射性物質が存在するか識別することで特定方向の放射性物質の種類を識別する種類識別処理を実行する放射性物質識別部を備えた
請求項1から7のいずれか1つに記載の放射性物質検出装置。 - 請求項1から8のいずれか1つに記載の放射性物質検出装置を複数備え、
前記特定方向を撮像して撮像画像を取得するカメラと、
前記複数の放射性物質検出装置がそれぞれ検出した放射性物質による放射性物質の量を検出領域別に二次元画像にする二次元画像化部と、
前記撮像画像と前記二次元画像を位置対応させて合成し合成画像を作成する合成部と、
前記合成画像を表示する表示部とを備えた
放射線源位置可視化システム。 - 請求項1から8のいずれか1つに記載の放射性物質検出装置を用い、
特性X線のピーク周辺のスペクトルを計測し、
前記スペクトルに基づいて少なくとも前記放射性物質の存在を認識する
放射性物質検出方法。
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