JPH07294652A - 物質表面下のガンマ線放出元素の深さを求める方法及び装置 - Google Patents

物質表面下のガンマ線放出元素の深さを求める方法及び装置

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JPH07294652A
JPH07294652A JP7056676A JP5667695A JPH07294652A JP H07294652 A JPH07294652 A JP H07294652A JP 7056676 A JP7056676 A JP 7056676A JP 5667695 A JP5667695 A JP 5667695A JP H07294652 A JPH07294652 A JP H07294652A
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JP
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ratio
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gamma
gamma ray
gamma rays
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JP7056676A
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John G Seidel
ジョージ サイドル ジョン
Frank H Ruddy
ヘンリー ルディ フランク
Joseph L Gonzalez
ルイス ゴンザレズ ジョセフ
Thomas V Congedo
ヴィンセント コンジェド トーマス
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CBS Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
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Publication date
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/16—Measuring radiation intensity
    • G01T1/169—Exploration, location of contaminated surface areas
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/02—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity specially adapted for surface logging, e.g. from aircraft

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 土壌表面下のガンマ線放出元素の深さを決定
する方法を提供する。 【構成】 ガンマ線を表面上方の第１の高さｈ1 で検出
し、ガンマ線を表面上方の第２の高さｈ2 で検出し、ｈ
1 で検出されたガンマ線の数に対するｈ2 で検出された
ガンマ線の数の割合（或いはその逆の割合）を表す比Ｒ
を求め、比Ｒに基づいて表面下のガンマ線放出元素のお
およその深さを推定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般に土壌の浄化に利
用される方法及び装置に関し、特に、或る体積の物質の
表面下のガンマ線放出元素の深さを求める方法及び装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】広大な
土地が化学的に又は放射性の有毒な元素で汚染されてい
るとの認識が深まるにつれ、これに対応して、汚染領域
を許容可能と考えられる環境状態に回復させるための回
復措置を講じる国際的な努力が存在している。この目的
のため、土壌洗浄及び他の方法の開発が続けられてい
る。これらの方法が技術的に有効であり且つ費用面でも
効果的であるためには、フィールド中の汚染の存在箇所
を正確に突き止める必要がある。
【０００３】即発ガンマ線中性子放射化分析（ＰＧＮＡ
Ａ）法は中性子誘発反応を利用する。中性子誘発反応は
２つの大きなカテゴリー、即ちしきい反応及び発熱反応
に分けることができる。しきい反応については、反応の
進行が可能になる以前に、ある最小レベルのエネルギー
を反応システムに供給するのに中性子運動エネルギーの
形態のエネルギーが必要である。この最小しきいエネル
ギー以下のエネルギーの中性子は、核反応を引き起こす
ことができない。発熱反応についてはしきい値は零であ
り、即ち、全てのエネルギーを備えた中性子は反応を生
じさせることができる。
【０００４】図１は、原子核レベルにおける中性子放射
化のプロセスを示している。源１６からのエネルギーＥ
の中性子は、サンプル内で原子の核と衝突して反応を開
始させる。熱エネルギー（0.0252eV）の中性子について
は、反応は核内への中性子の吸収であり、その元素の次
により大きな質量の同位元素を生じさせる。中性子がよ
り高エネルギーである場合（例えば、数メガ電子ボルト
の運動エネルギー）、別の種々の核反応が可能である。
これら別の核反応は、他元素への核変換が生じる反応を
含む。いずれの場合においても、残留核は、高く励起さ
れた内部状態のまま後に残され、その基底状態までほぼ
瞬時に崩壊し、エネルギーが数メガ電子ボルトのガンマ
線を放出する。このガンマ線のエネルギーは、残留核の
量子構造の固有の特徴であり、かくして、原標的核のサ
イン（signature)又は特徴である。サンプル中の関心の
ある元素の各々の原子数は、サンプルが放出するガンマ
線のスペクトルを（検出器１２で）検出すると共に収集
し、適当なピークを統合することにより推定可能であ
る。
【０００５】以下は、土壌又は他のマトリックス材料の
フィールド内の汚染元素の深さ分布状態を推定する３つ
の方法の要点である。
【０００６】（１）第１の方法は、熱中性子誘発核反応
の特徴である深いところへの呼掛け（interrogation)に
対し、浅い深さ（数インチ）に呼び掛けるための高速中
性子誘発反応の固有の感度バイアスを用いる。
【０００７】（２）第２の方法は、汚染元素の特定核に
関する中性子誘発反応が二以上のガンマ線をそれぞれ既
知の分岐比で生じる場合、また、二以上のかかるガンマ
線のエネルギーが著しく異なる場合、これらガンマ線が
土壌中を伝わって検出器へ戻る際の互いに異なる減衰量
が、これらの検出信号の比を、汚染凝集体の平均深さの
特有のサイン（signature)である量だけ変化させること
になる。
【０００８】（３）第３の方法では、中性子管上方にレ
フレクタを配置せず（零個配置し）、次に一又は二以上
配置する連続配置手法を利用する。レフレクタは高減速
性（原子質量成分）物質である。かかる物質は、中性子
管から上方へ移動したであろう中性子を利用する効果を
有し、原子成分の核との衝突により中性子のエネルギー
を著しく減少させ、これらを反射して地面に戻す。その
結果、熱中性子束をレフレクタの使用により土壌の浅い
（約３〜６cm）深さ部分内で最も高くなるよう調節でき
る。これに対して、レフレクタを用いない場合、土壌表
面下１５．２〜２５．４cmでピークをなす。かくして、
たとえ熱中性子誘発核反応だけを用いても、熱中性子Ｐ
ＧＮＡＡ法により汚染物の深さ分布状態を推定できるよ
うになる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、核計数法（nu
clear counting）を用いて汚染物の平均深さを推定する
第４の新規な方法を提供する。本発明は、ＰＧＮＡＡ法
より誘発されたガンマ線及び自然現象として放出された
ガンマ線の検出に利用できる。本発明は、一定の計数時
間間隔で有限サイズの源から検出されたガンマ線信号の
数が源と検出器との間の距離が変化すると、予想可能な
態様で減少するという事実を利用している。
【００１０】本発明の要旨は、或る体積の物質の表面下
のガンマ線放出元素の深さを求める方法において、ガン
マ線を物質表面上方の第１の高さｈ1 で検出する段階
と、ガンマ線を物質表面上方の第２の高さｈ2 で検出す
る段階と、ｈ1 で検出されたガンマ線の数に対するｈ2
で検出されたガンマ線の数の割合、又は、ｈ2 で検出さ
れたガンマ線の数に対するｈ1 で検出されたガンマ線の
数の割合を表す比Ｒを求める段階と、比Ｒに基づいて表
面下のガンマ線放出元素のおおよその深さを推定する段
階とを有することを特徴とする方法にある。
【００１１】本発明の好ましい一実施例では、前記物質
を中性子で照射して前記ガンマ線放出元素によりガンマ
線を放出させる。
【００１２】更に、好ましい実施例では、前記比Ｒは、
【数３】Ｒ＝（ｘ＋ｈ2 ）2 ／（ｘ＋ｈ1 ）2 で与えられ、上式において、ｘはガンマ線放出元素の深
さを表す。ガンマ線放出源を既知の深さに埋設してこれ
に対応するＲの値を測定することにより、ｘに対するＲ
のプロットを予め求め、次に未知の深さの源について測
定された比Ｒと前記プロットとを比較してガンマ線放出
元素の前記おおよその深さを推定する。
【００１３】本発明の要旨は又、或る体積の物質の表面
下のガンマ線放出元素の深さを求める装置において、ガ
ンマ線検出器と、前記表面上を移動でき、前記ガンマ線
検出器を搭載すると共に前記ガンマ線検出器を前記表面
に関し上下に移動させる手段を備えたビークルと、高さ
ｈ1 で検出されたガンマ線の数に対する高さｈ2 で検出
されたガンマ線の数の割合、又は、高さｈ2 で検出され
たガンマ線の数に対する高さｈ1 で検出されたガンマ線
の数の割合を表す比Ｒを求め、比Ｒに基づいて表面下の
ガンマ線放出元素のおおよその深さを推定するコンピュ
ータ及び関連サポートエレクトロニクスとを有すること
を特徴とする装置にある。
【００１４】本発明の他の特徴は添付の図面を参照して
以下に説明する。
【００１５】
【実施例】図２は、本発明に従って土壌表面下のガンマ
線放出元素の深さを求める装置の一実施例を概略的に示
している。本装置は、或る一形態のビークル１０と、ガ
ンマ線検出器１２と、コンピュータ１４ａを含むサポー
トエレクトロニクス１４とを有し、ＰＧＮＡＡ用途のた
めに任意的に中性子源１６を更に有する。符号Ｓで示し
たガンマ線放出元素は、或る体積の土壌（又は他のマト
リックス材料）２０の表面１８下ｘの深さに位置するも
のとして示されている。ガンマ線検出器１２は、土壌表
面上ｈ1 の高さで示されている。ガンマ線検出器１２の
上に表示した上下の矢印は、ビークル１０が本明細書で
開示する本発明の方法の実施にあたりガンマ線検出器を
種々の高さに移動できることを示している。ビークル１
０、ガンマ線検出器１２、サポートエレクトロニクス１
４及び中性子源１６を含む図示の個々の構成要素は、通
常用いられているものなので、ここでは詳細には説明し
ない。
【００１６】本発明の現時点において好ましい実施例で
は、測定手順は、ガンマ線検出器を表面上の種々の高さ
位置に固定した状態で数段階で行われる。本発明者の見
解によれば、ガンマ線放出物質の凝集体の平均深さを地
表上の種々の検出器高さにおける検出ガンマ線強度の比
から演繹して求めることができる。また、局限された源
について、深さに対する強度比の関係は検出光子のエネ
ルギー又はマトリックス材料の組成とは無関係である。
【００１７】本発明は、土壌又は他のマトリックス材料
（例えば、コンクリート、水その他の材料）の表面下、
深さｘのところでガンマ線源Ｓにより等方性をもって放
出されたエネルギーＥのガンマ線の流れによって起こっ
た現象に基づいている。源Ｓは自然界における放射性同
位元素であっても良く、或いは、ＰＧＮＡＡ呼掛けの結
果としての（図２の実施例の中性子源１９による）即発
ガンマ線を放出するものであっても良い。
【００１８】先ず最初に、Ｓが最も簡単な場合である点
源であると仮定する。源ＳからのエネルギーＥの毎秒当
たりのガンマ線数Ｎの放出割合に関しては、表面上ｈの
高さに位置した幅の狭い検出器に達するこれらガンマ線
の強度は、次式で与えられる。
【００１９】
【数４】 この式において、μは、エネルギーＥの光子についての
マトリックス材料の線形減衰係数である（逆長さ単位で
表した場合）。
【００２０】この表記の分子の指数項は、マトリックス
材料中を距離ｘ進んだ結果としてのガンマ線強度の減衰
度に相当し、分母である（４π（ｘ×ｈ）2 ）は、逆二
乗法則（inverse square）による距離の増大に伴う点源
から放出された強度の減少（falloff)に相当する。（こ
の逆二乗法則による減少については図４を参照して以下
に説明する。）この表現から、もしガンマ線検出率の測
定を２つの検出器高さｈ1 ，ｈ2 に配置されたガンマ線
検出器１２で行った場合、これらガンマ線検出率の比Ｒ
＝φ（ｈ1 ）／φ（ｈ2 ）は次式で与えられる。
【００２１】
【数５】Ｒ＝（ｘ＋ｈ2 ）2 ／（ｘ＋ｈ1 ）2 点源についてのこの結果は、検出器高さｈ1 ，ｈ2 及び
地中の源深さｘだけに基づいている。源Ｓが土壌表面に
位置するような特別の場合については、ｘ＝０であって
比は検出器高さの比の二乗で得られる。逆に、もしかか
る比を既知の高さｈ1 ，ｈ2 について測定すると、深さ
ｘの推定が可能である。２つの異なる検出器高さを利用
して行った測定では、局限された源から検出器１２に接
近するガンマ線はマトリックス材料の同一深さｘに侵入
する。したがって、比が得られると、指数項は約分され
る。この場合、本発明は、マトリックス材料及びガンマ
線のエネルギーとは無関係である。
【００２２】例示として説明すると、図３は表面下に位
置する点源の深さｘの関数としてｈ1 ＝１５．２cm，ｈ
2 ＝３０．５cmの場合の予想比Ｒを示している。予想比
は４ＭｅＶ及び１ＭｅＶのガンマ線エネルギーについて
示されている。この比はｘの固有の関数であり、減衰係
数μとは無関係である。これは、互いに異なるガンマ線
エネルギーの二組の予想で示される。表面における源に
ついての挙動は、発明者の実験室において一連の５分の
計数時間間隔で得られた以下のデータにより証拠立てら
れる。
【００２３】
【表１】 −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 60Coカ゛ンマ 線 h1＝６インチの h2＝12インチの 測定比 エネルキ゛ー 場合の計数率 場合の計数率 R=CR(h1)/CR(h2) (cpm） (cpm） （標準偏差） −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− − 1173keV 1868 459 4.07 (+0.09) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− 1332keV 1654 424 3.90 (+0.09) −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− この表は、６インチ及び１２インチの検出器高さに配置
された小さな60Ｃｏ源を用いて、一連の５分の計数間隔
から得た計数率測定値及びこれらの比を示している。こ
れらの比は最低標準偏差を含む。これらのデータは、逆
二乗法則による検出器への距離の増大に伴う幅の狭い源
からの強度のばらつきを立証している。
【００２４】地下ガンマ線源の横方向寸法の増大につれ
て、図４に示すように、深さに関し一層低いオーダーの
従属関係が生じる。図４は、表面上１５．２cm及び３
０．５cmの高さに保持された３インチ直径の検出器につ
いて比Ｒへの立体角因子（幾何学的効率）だけを示して
いる。点源の逆二乗法則従属性も補正のためにプロット
されている。さらに、長い源については、異なる検出器
高さの場合につき、外部領域からのガンマ線が互いに異
なる深さに移動する。これは、光子エネルギーとマトリ
ックス材料に弱い従属関係をもたらし、統計学的に説明
できる。これについては図５を参照して以下に説明す
る。フィールド用途では、位置の変化による計数率のラ
テラルフールオフ（lateral falloff)の測定により、深
さ推定のためにどの近似源幅を使用すべきかが分かる。
【００２５】上述のように、弱いエネルギー従属関係
は、検出器１２（図１）を地面（又は或る他のマトリッ
クス材料の表面）上の互いに異なる高さに配置した場合
に測定される収率において現れる。これは、有限幅（例
えば、表面と平行な有限寸法）の土壌表面下にある源領
域については、検出器に達する源周囲領域からのガンマ
線は、地上の２つの互いに異なる高さに配置されている
検出器の場合、土壌の互いに異なる深さを通って移動し
た結果である。これは図５に示されており、図５は、２
つの検出器位置を結ぶ鉛直線に近い第１の源領域Ｓ
1 が、２つの検出器位置に向かって土壌２０を通って実
質的に同一の距離進むガンマ線をどのように発生する
か、これに対して、鉛直線から遠くに位置する第２の源
領域Ｓ2 が、土壌中を量“δ”だけ異なる距離進むガン
マ線をどのように発生するかを示している。さらに、こ
の効果が表面１８に一層近いガンマ線源について一層強
いことを明らかである。この効果を、ガンマ線輸送問題
を処理する市販の輸送コードで容易にモデル化できる。
ＤＯＴ及びＭＣＮＰコードは、かかるコードの２つの市
販の国際的に認められている例である。
【００２６】上述のように、本発明はＰＧＮＡＡを用い
る方法及び装置に限定されない。というのは、本発明を
自然界の放射性源と関連して使用できるからである。さ
らに、本発明は、開示した装置の座標系を既知の技術に
従って回転させると、検出器が土壌とは異なる或る体積
の物質の上、下、又は側部に位置する場合においてもか
かる物質内に埋設された放射性源の深さを求める際に利
用可能である。したがって、特許請求の範囲に記載の保
護範囲は明示の限定がないかぎり上述の細部に限定され
るものではない。
【００２７】
【図面の簡単な説明】
【図１】基本的手ＰＧＮＡＡシステムの略図である。
【図２】本発明にしたがって、ガンマ線放出元素の深さ
を求めるための装置の一実施例を示す略図である。
【図３】源の深さの関数として０．１５ｍ及び０．３０
ｍの検出器高さにおける検出信号の比のプロットであ
り、信号比が源深さの固有の関数であると共に光子エネ
ルギーとは独立であることを示すグラフ図である。
【図４】表面下の源の深さｘの関数として表した比Ｒの
プロットであり、比Ｒを検出器高さｈ1 ＝０．１５ｍ、
ｈ2 ＝０．３０ｍにつきプロットし、比Ｒに関する立体
角因子だけを示す図である。
【図５】検出器を地上の異なる高さ位置に配置して測定
した収率におけるゆるいエネルギー従属関係の発生要因
を示す図である。
【符号の説明】
１０ ビークル １６ 中性子源 １８ 土壌表面 ２０ 土壌又は地盤
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フランク ヘンリー ルディ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 モン ロービル ペンドルトン・ドライブ 2101 (72)発明者 ジョセフ ルイス ゴンザレズ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 マッ キーズポート フォーセット・ストリート 2102 (72)発明者 トーマス ヴィンセント コンジェド アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピッ ツバーグ ローレル・ドライブ 1460

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 或る体積の物質の表面下のガンマ線放出
    元素の深さを求める方法において、ガンマ線を物質表面
    上方の第１の高さｈ1 で検出する段階（ａ）と、ガンマ
    線を物質表面上方の第２の高さｈ2 で検出する段階
    （ｂ）と、ｈ1 で検出されたガンマ線の数に対するｈ2
    で検出されたガンマ線の数の割合、又は、ｈ2 で検出さ
    れたガンマ線の数に対するｈ1 で検出されたガンマ線の
    数の割合を表す比Ｒを求める段階（ｃ）と、比Ｒに基づ
    いて表面下のガンマ線放出元素のおおよその深さを推定
    する段階（ｄ）とを有することを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記段階（ａ）の実施に先立って、前記
    物質を中性子で照射して前記ガンマ線放出元素によりガ
    ンマ線を放出させることを特徴とする請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記比Ｒは、 【数１】Ｒ＝（ｘ＋ｈ2 ）2 ／（ｘ＋ｈ1 ）2 で与えられ、上式において、ｘはガンマ線放出元素の深
    さを表すことを特徴とする請求項１の方法。
  4. 【請求項４】 ガンマ線放出源を既知の深さに埋設して
    これに対応するＲの値を測定することにより、ｘに対す
    るＲのプロットを予め求め、次に、未知の深さの源につ
    いて測定された比Ｒと前記プロットとを比較してガンマ
    線放出元素の前記おおよその深さを推定することを特徴
    とする請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記物質を中性子で照射して前記ガンマ
    線放出元素によりガンマ線を放出させることを特徴とす
    る請求項４の方法。
  6. 【請求項６】 或る体積の物質の表面下のガンマ線放出
    元素の深さを求める装置において、ガンマ線検出器と、
    前記表面上を移動でき、前記ガンマ線検出器を搭載する
    と共に前記ガンマ線検出器を前記表面に関し上下に移動
    させる手段を備えたビークルと、高さｈ1 で検出された
    ガンマ線の数に対する高さｈ2 で検出されたガンマ線の
    数の割合、又は、高さｈ2 で検出されたガンマ線の数に
    対する高さｈ1 で検出されたガンマ線の数の割合を表す
    比Ｒを求め、比Ｒに基づいて表面下のガンマ線放出元素
    のおおよその深さを推定するコンピュータ及び関連サポ
    ートエレクトロニクスとを有することを特徴とする装
    置。
  7. 【請求項７】 ビークルに取り付けられていて、前記ガ
    ンマ線放出元素によりガンマ線を放出させる中性子源を
    更に有することを特徴とする請求項６の装置。
  8. 【請求項８】 前記比Ｒは、 【数２】Ｒ＝（ｘ＋ｈ2 ）2 ／（ｘ＋ｈ1 ）2 で与えられ、上式において、ｘはガンマ線放出元素の深
    さを表すことを特徴とする請求項６の装置。
  9. 【請求項９】 ｘに対するＲのプロットを予め求め、次
    に、未知の深さの源について測定された比Ｒと前記プロ
    ットとを比較してガンマ線放出元素の前記おおよその深
    さを推定する手段を更に有することを特徴とする請求項
    ８の装置。
  10. 【請求項１０】 ビークルに取り付けられていて、前記
    ガンマ線放出元素によりガンマ線を放出させる中性子源
    を更に有することを特徴とする請求項９の装置。
JP7056676A 1994-02-18 1995-02-20 物質表面下のガンマ線放出元素の深さを求める方法及び装置 Pending JPH07294652A (ja)

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