Comments
Description
Transcript
1 - 大阪府立大学学術情報リポジトリ OPERA
Title Author(s) 物質界面における２次元放射線線量分布の測定 下邨, 広元 Editor(s) Citation Issue Date URL 2015-02 http://hdl.handle.net/10466/14555 Rights http://repository.osakafu-u.ac.jp/dspace/ 大阪府立大学博士論文 物質界面における 2 次元放射線線量分布の測定 Measurement of the two-dimensional radiation dose distribution at material interface ２０１５年２月 下 邨 広 元 目次 1章 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 序論 .................................................................................................................................................. 1 研究の意義 ......................................................................................................................................... 1 先行研究の経緯 .................................................................................................................................. 1 本研究の目的と特色 ........................................................................................................................... 2 本研究の成果の概要 ........................................................................................................................... 3 参考文献 ............................................................................................................................................. 4 2 章 本研究に関る原理............................................................................................................................. 8 2.1 放射線と TLD の相互作用 ................................................................................................................. 8 2.2 放射線と IP の相互作用、 IP の PSL 値 ......................................................................................... 10 2.3 ラジオグラフィの原理 ..................................................................................................................... 13 2.3.1 工業用ラジオグラフィ(放射線透過試験)の原理 ........................................................................... 13 2.3.2 ライナック電子線を用いたラジオグラフィの原理 ...................................................................... 14 2.4 参考文献 ........................................................................................................................................... 15 3 章 実験方法 ......................................................................................................................................... 16 3.1 放射線線量計とその使用方法 .......................................................................................................... 16 3.1.1 使用した TLD とそのエレメント.................................................................................................. 16 3.1.2 使用した IP とその取扱い ............................................................................................................. 18 3.2 γ 線照射実験 ..................................................................................................................................... 19 3.2.1 γ 線の基本性質 .............................................................................................................................. 19 3.2.2 γ 線照射の実験条件 ....................................................................................................................... 21 3.3 X 線照射実験 .................................................................................................................................... 23 3.3.1 X 線源 ............................................................................................................................................ 23 3.3.2 TLD を用いて X 線を測定した実験の方法 ................................................................................... 25 3.4 超微弱ライナック電子線による実験 ............................................................................................... 27 3.4.1 電子ライナックにおける超微弱電子線の生成 .............................................................................. 27 3.4.2 電子線ラジオグラフィの実験方法 ................................................................................................ 30 3.5 参考文献 ........................................................................................................................................... 32 4 章 γ 線照射実験の結果と考察 ............................................................................................................. 33 4.1 セシウム 137γ 線の遮蔽透過分布の IP によるモニタ...................................................................... 33 4.2 コバルト 60線照射における 2 次元線量分布の IP による測定 ...................................................... 34 4.3 参考文献 ........................................................................................................................................... 45 5章 5.1 5.2 5.3 5.4 超微弱加速器電子線照射実験の結果と考察 .................................................................................. 46 高エネルギー電子線に対する IP の応答.......................................................................................... 46 参考文献 ........................................................................................................................................... 53 ライナック電子線の 2 次元照射線量分布の IP による測定 ............................................................ 54 参考文献 ........................................................................................................................................... 65 6 章 超微弱電子線ラジオグラフィ ........................................................................................................ 66 6.1 参考文献 ........................................................................................................................................... 70 7 章 結言 研究結果まとめ ................................................................................................................... 71 7.1 γ 線照射場 ........................................................................................................................................ 71 7.2 超微弱電子線照射場 ......................................................................................................................... 72 7.3 超微弱電子線ラジオグラフィ .......................................................................................................... 73 謝辞........................................................................................................................................................... 74 1章 序論 1.1 研究の意義 放射線を物質に照射することにより、基礎課程として電離や励起状態が生成し、その後 の拡散、緩和過程などの過渡現象を経て種々の反応が誘起される結果、さまざまな物質や 状態が生まれる。異種物質の界面では、この反応は複雑なものとなる。これまでに当研究 室で行った研究例として、酸化物微粒子を懸濁させた水に放射線を照射した場合の、水の 放射線分解による水素の生成の促進効果がある。また放射線場での金属の表面腐食の抑制 や表面のぬれ性の改善など、放射線によって固液界面に誘起される反応は、特に原子炉工 学分野で重要な意味を持ち、放射線誘起表面活性（Radiation Induced Surface Activation, RISA） と呼ばれているがその機構は明らかでない[1-15]。RISA の機構を解明するために、照射実 験において局所的な吸収線量を評価し放射線種依存性についての知見を得ることが非常に 重要である。 また放射線は、工業、農業、医学など多くの分野で利用されており、局所的な吸収線量 分布の測定は、反応機構の解明、照射線量の制御、照射効果や影響の把握などのために重 要な意味を持つ。しかし物質の局所的な吸収線量の分布を知ることは、一般には非常に困 難である。比較的簡単に測定が可能になると、さまざまな分野で、放射線利用の精度が向 上し、利用が拡大する可能性がある。 1.2 先行研究の経緯 物質界面など局所的な吸収線量分布を測定する方法として、2 次元画像センサーである イメージングプレート（Imaging plate, IP）を用いる方法がある。IP は、非常に高感度な電 離放射線の検出能力を持つ。そして、画像読み取り機を用いて簡単に、電離放射線の 2 次 元の強度分布の画像を得ることができる。また、読み取りと同時に画像情報が消去される ので何回も繰り返し使用が可能である。現在、IP は医療用レントゲンや非破壊検査用に用 いられている。 IP に放射線を入射させて生じる励起反応に関して、様々な研究が行われている[16-33]。 1 IP では、照射後の読み取り過程でレーザー照射を行って輝尽発光（PSL, Photo-stimulated luminescence）の強度を 2 次元の像に変換する。ディジタル信号を画像処理することができ る。読取後は、可視光照射によって残像を消去し何度でも繰り返し再使用できる特性を持 つ。比較的高い線量を照射すると、繰返し使用した IP では残像が観察され、現在、この残 像を消去するための研究が行われている。一般には、非常に高感度で線量に対するダイナ ミックレンジも広い。しかし、主に線量分布のディジタル信号を画像として処理し、傷な どを検知する非破壊検査の分野などに利用されている。吸収線量の定量は困難で、線量計 としての利用は非常に限られる。 1.3 本研究の目的と特色 本研究の目的は、放射線照射された物質の界面等での局所的な吸収線量分布を測定する ことである。このために、熱蛍光線量計（熱ルミネッセンス線量計、Thermo Luminescence Dosimeter, TLD）と IP の二種類の放射線線量計を用いて応答特性を調べ、放射線種依存性 についての知見を得る。本研究の特徴として、新たに開発された加速器からの超微弱電子 線照射場を利用し、これらの測定器の応答を調べる。この結果に基づき、照射場界面にお ける局所的な吸収線量を評価するための線量計として利用条件を明らかにする。さらに、 この結果に基づき、2 次元線量測定の応用として、IP による電子線ラジオグラフィの基本 特性の測定を行う。 本研究の特徴は、大阪府立大学の電子線形加速器 (Linac) によって開発された超微弱電 子線照射場を活用して、TLD と IP の二種類の放射線線量計を用いた局所線量評価を行うこ とである。高精度な超微弱電子線の測定を行うために、IP の超微弱電子線に対する応答特 性を調べ、フェーディング特性について調べる。また、γ 線照射の条件をさまざまに変え ることができる照射環境を活用し、IP を用いた 2 次元の γ 線透過像を定量して、対象とな る遮蔽材の評価を行うことを試みる。IP および TLD によって照射場の線量評価精度を向上 させて高精度での実験を行い、超微弱電子線の実験結果と比較検討する[34-50]。これによ り、従来困難であった物質界面における局所場での線量分布の測定法を確立し、2 次元の 放射線画像を得るために利用されてきた IP に定量的な情報を加える。 2 1.4 本研究の成果の概要 X 線照射を行った時に、IP 上から得られる物理量は線量である。これは、本研究におい て用いた IP (CR SR-VI、富士フィルム製)で、富士フィルムが定義した発光量である PSL 値 （Photo-Stimulated Luminescence value）と対応させることができる。本研究では、X 線、γ 線や超微弱ライナック電子線を、IP に照射した場合の照射線量と PSL 値の対応を得た。 PSL 値と、線量の対応は TLD とデジタル線量計で求めた。 IP は、温度と時間の経過に依存するフェーディングが起きる。フェーディング特性に関 しては、様々な研究が行われてきた。このフェーディングを調べるために、校正された γ 線照射場、X 線発生装置、超微弱電子線照射場を用いて、照射終了から読取りまでの時間 を変えてその影響を調べた。その結果を基に、最適な時間で IP の読取りを行った。この結 果、照射から読取りまでの時間を考慮して、同条件での PSL 値が得られる。IP の PSL 値 と γ 線照射線量の間、IP の PSL 値 と超微弱電子線照射線量の間には線形性が成立すること を確認した。 これらの結果から、IP で基本となる X 線の照射線量と PSL 値との対応を基にして、γ 線および超微弱ライナック電子線を照射した場合の照射線量と PSL 値との対応を比較し、 各照射場における 2 次元線量分布が評価できることが明らかになった。 3 1.5 参考文献 01) Fujishima, A and Honda K, Nature 238 37-38 (1972). 02) 賞雅寛而他、日本原子力学会 2001 春の年会要旨集 第Ⅱ分冊、440、(2001). 03) 今井康之他、日本原子力学会 2001 春の年会要旨集 第Ⅱ分冊、441、(2001). 04) 賞雅寛而、岡本孝司、三島嘉一郎、古谷正裕、日本原子力学会会誌 Vol.45、No.2、112-117、(2003). 05) 経済産業省資源エネルギー庁 革新的実用原子力技術開発補助費事業 「放射線誘起表面活性効果による高性能原子炉に関する技術開発」 平成 16 年度成果報告書、神戸製鋼所 (2004). 06) 同上、平成 17 年度成果報告書、神戸製鋼所 (2005). 07) 同上、平成 18 年度成果報告書、神戸製鋼所 (2006). 08) 三島嘉一郎他、日本機会学会 2007 先端技術フォーラム (2007). 09) 張倹他、第 11 回日本機会学会動力エネルギーシンポジウム論文 OS8-9 10) 賞雅寛而他、日本機会学会 2007 年次大会 11) 市川長佳、逸見幸男他、日本原子力学会 (2007). 2000 春の年会要旨集 K48 12) 賞雅寛而、古谷正裕他、「放射線表面活性を利用した防食法の開発」 原子力学会和文論文誌、1-2、240-243、(2002). 13) Takamasa T. et al. ,Thermal Science & Engineering, 12-2, 39-44, (2004). 4 (2006). (2001). 14) Shibamoto Y. et al. ,J. Nucl. Sci. Technol. 44(2), 183-189, (2007). 15) 三島嘉一郎他、日本機械学会動力エネルギー技術シンポジウム講演論文集 Vol.11, 219-222 (2006) 16) 宮原諄二他、日本物理学会誌、45(6)、398-404 (1990). 17) 宮原諄二他、固体物理、21、172、(1986). 18) 宮原諄二他、固体物理、30、674-680、(1995). 19) 宮原諄二他、計測と制御、26、657、(1995). 20) Jyunji M. et al. Nature 336、No.6194、89、(1988). 21) Jyunji M. et al. Nucl. Instrum. Methods、A246、572-578(1986). 22) Jyunji M. et al. Science 237、164、(1987). 23) Jyunji M. et al. J.Lumin. 31&32、266、(1984). 24) 藤井保彦他、固体物理、24、399、(1989). 25) 大内（吉田）浩子他、Radioisotopes、59、1-10、(2010). 26) 大内（吉田）浩子他、Radioisotopes、59、81-91、(2010). 27) Hiroko Ohuchi-Yoshida et al. Nucl. Instrum. Methods、A596、300-395(2008). 28) Hiroko Ohuchi-Yoshida et al. Nucl. Instrum. Methods、A621、468-472(2010). 29) Hiroko Ohuchi-Yoshida et al. Proc. Of SPIE、7622：76224Ｊ-1-76224Ｊ-12、(2010). 5 30) Solomon J.W. et al., AJR、157、181-185(1991). 31) Oestmann J.W. et al.,RadioGraphics、11、795-805、(1991). 32) Kobayashi H. et al. Nucl. Instrum. Methods、B135、229-233(1998). 33) Iwabuchi K. et al. J.Lumin. 48&49、481-484、(1991). 34) Y. Wada et al. Prog. Nuclear Energy 29 251 (1995). 35) Y. Wada et al. Sci. Basis Nucl. Waste Manag. 18、1301、(1995) 36) 清野智史、奥田修一他、Radioisotopes、49、354、(2000). 37) 清野智史、奥田修一他、放射線化学討論会要旨集、43、186、(2000). 38) S. Seino, S. Okuda et al. Mat. Res.Soc.Symp.Proc. 676、Y3.43.1、(2001). 39) S. Seino, S. Okuda et al. Scripta.mater. 44、1709、(2001). 41) S. Seino, S. Okuda et al. Mat. Res.Soc.Symp.Proc. 608、505、(2002). 42) 清野智史、奥田修一他、日本原子力学会 2003 春の年会要旨集 760 (2003). 43) 清野智史、奥田修一他、日本原子力学会 2002 春の年会要旨集 824 (2002). 44) 沢崎俊郎他、日本原子力学会 2001 秋の大会予稿集 731 (2001). 45) 沢崎俊郎他、日本原子力学会 2002 春の年会予稿集 823 (2002). 46) 田辺哲朗他、日本原子力学会 2004 春の年会要旨集 772 (2004). 6 47) 田辺哲朗他、日本原子力学会 48) 田辺哲朗他、放射線化学 2005 春の年会要旨集 79、13、(2005). 49) R. Taniguchi et al., Radiat. Phys. Chem. 76 (2007) 1779 50) R. Taniguchi et al., Radiat. Measurements 43 (2008) 981 7 563 (2005). 2章 本研究に関る原理 2.1 放射線と TLD の相互作用 TLD は、検知器の内部の結晶が放射線を受けた後加熱された時に放射される可視光の量 を測定することにより、放射線の被ばく線量を測定するための小型の放射線計測器である。 積分型の個人被ばく線量計として開発され、ある点における集積線量を測定することがで きる。 TLD にはいくつかの種類かあり、測定したい放射線の種類に応じて内部の結晶が異なる。 フッ化カルシウムは γ 線、フッ化リチウムは γ 線と中性子線の測定に使われる。このほか、 メタホウ酸リチウム等も用いられる。 センサーとなる結晶には通常不純物やストレスによる転位など、さまざまな理由による 格子欠陥が存在する。これによってポテンシャルが乱れ、部分的にポテンシャルの高いと ころ低いところなどの凹凸ができる。そこへ自由な電子が導かれてトラップされ、蓄積さ れる。 放射線と TLD の相互作用の模式図を図 2-1 に示す[51]。熱蛍光物質が放射線の照射を受 けると物質内で電子および正孔が励起され、ほとんどはすぐに結晶と再結合するが、励起 された電子及び正孔の一部は不純物（多くはマンガン）や格子欠陥による捕獲中心に捕ら えられ、加熱されるまでそこに留まる。これが放射線のエネルギーを電気的に蓄えること になる。これらの捕獲中心が、放射線量に比例する。 放射線がその結晶と相互作用したとき、結晶の原子にある電子が励起して伝導帯へ移り 自由電子となる。 図 2-1 放射線の TLD に対する作用 8 TLD には、対象とする放射線の種類やエネルギーの違いに対応したいくつかのエレメン トがある。TLD 中のエレメントを構成する熱蛍光物質を 200－400 度の高温や強い光に晒 すと、捕えられた電子は十分なエネルギーを得て解放され、格子中の正孔と再結合して観 測可能な特定周波数の光（（熱蛍光(熱ルミネセンス)）を放出する。これが熱ルミネッセン ス反応である。 放出される光はトラップされた電子の量に比例し、さらに累積された被曝線量に関係す る。また加熱温度と発光強度の関係をグロー曲線といい、加熱温度に対応して１個又は数 個のピーク（グローピーク）がみられる。このグローピークにおける発光の総量が線量に 比例するので、線量測定は適当な温度まで加熱したときの発光の積算値を測定するか、ま たは加熱条件を一定にしてグローピークにおける発光強度を測定する。 熱蛍光物質は、通常粉末結晶でガラスアンプルなどに封入されており、環境線量の測定 では１-４素子ずつケースに入れられる。原子力施設周辺環境モニタリングにも広く用いら れ、１-３ヶ月の積算線量を測定できる。TLD は比較的安価でかつ取り扱いも容易なため、 多地点での測定が可能である。TLD からの吸収放射線量の読取機構とその方法を図 2-2 に 示す。 図 2-2 TLD から吸収放射線量を読み取る方法の模式図 9 2.2 放射線と IP の相互作用、 IP の PSL 値 IP は、放射線によって作られる励起状態から集積線量に応じた信号を読み出す、2 次元 の線量分布に対応した画像を得るための、写真フィルムに変わる道具である。ディジタル 信号の処理によって、画像処理が容易である。あらゆる放射線に対して高感度かつ広いダ イナミックレンジを示し、さらに高空間分解能かつ大面積の 2 次元分布計測が可能である ため、医療用Ｘ線撮影やバイオサイエンス、Ｘ線結晶構造解析、中性子イメージング分野 等様々な分野において利用されている。放射線として主に X 線を対象として開発されたが、 他の線種にも広く応用されている。 IP の蛍光体の結晶構造は正方晶系であり、c 軸と垂直に FBaXXBa の周期構造を持つ層状 のイオン結晶である。Eu2+イオンは Ba2+イオンと置換して固溶する。この結晶中には主と して F-イオンまたは X-イオンが欠けた 2 種類の空格子点が存在する。どちらの格子点が支 配的になるかは結晶の化学量論的な組成からのずれによってほぼ決定される。通常は X-イ オン空格子点が支配的である。 IP は 、 2 価 の ユ ー ロ ピ ウ ム イ オ ン (Eu2+) を 添 加 し て 発 光 中 心 と し た 輝 尽 発 光 (Photo-Stimulated Luminescence PSL)現象を示す輝尽性蛍光体(BaFX:Eu2+ , X＝Cl, Br, I)をプ ラスチックの支持板上に塗布した極めて感度の高い放射線 2 次元検出器である。 X 線などの放射線をこの結晶に照射すると、図 2-3 に示すように添加されている Eu2+イオ ンの電子が直接的あるいは間接的に伝導帯へ励起され Eu3+イオンが形成される。伝導帯に 励起された電子は結晶中にもともと存在している陰イオン空格子点に捕獲され、準安定状 態の空格子点/電子対、すなわち F 中心を作る。この段階において、X 線像が F 中心の密度 分布として記録されることになる[53-55]。この図に IP の輝尽発光に関するエネルギー準位 を示す。 輝尽発光とは、放射線照射後に 500-700 nm の波長域の刺激光を照射し、約 390 nm に強 度のピークを持つ発光のことである。この発光強度に比例する値として定義されたものが PSL 値である[70]。PSL 値は、管電圧 80 kV, 照射線量 0.15 mR の X 線を照射した IP に対 し、読み取り機の PSL 検出信号の値を 100 PSL/mm2 と定義している。PSL 値は、読み取り 機から 2 次元のデータとして取り出すことができる[52]。 10 IP の、F 中心に吸収される可視光を照射すると、捕獲されていた電子は再び伝導体に解 放される。さらに、この電子は Eu3+イオンに捕獲され Eu2+イオンの励起状態を経て Eu2+イ オンの基底状態に戻る。発光特性は Br と I の組成比によって変わる。600 nm 付近にある輝 尽励起スペクトルと、400 nm 付近にある発光スペクトルはいずれも I の添加により長周期 側にシフトする。また、輝尽励起スペクトルは He-Ne Laser (λ=633 nm)光を利用するのに 適している。輝尽発光の減衰時定数は 0.8 μs であり、通常の蛍光体からの蛍光と比較して も非常に短い。 図 2-3 IP の輝尽発光に関するエネルギー準位 11 IP に F 中心の分布として記録された放射線 2 次元画像情報を読み出すには、He-Ne Laser で蛍光体膜の各点から放出される PSL を光電子増倍管(PMT)にて検出し、その出力を時系 列のデジタル信号に変換してメモリに記憶する。1 回の Laser 光の走査で F 中心の約 80 % が読み取られ消去される。残りの F 中心も蛍光灯の光を数分間照射することによって完全 に消去されるので、IP は繰返し使用出来る。IP の照射読取過程を図 2-4 に図示する。 図 2-4 IP の読取原理図 12 2.3 ラジオグラフィの原理 2.3.1 工業用ラジオグラフィ(放射線透過試験)の原理 工業用ラジオグラフィ（放射線透過試験（ Radiography、RT Radiographic Testing））は、 X 線、γ 線、中性子線などの放射線の物質透過強度の差を利用して、放射線を材料に 照射し材料内部を透過させて、それが材料背後にある写真用フィルムや蛍光板に感光し 投影することにより物質の内部構造を調べる非破壊検査法の一つである。現在は、IP が多 く用いられる。 放射線と物質との相互作用で、エネルギー吸収や散乱損失を利用し、物質の状態の差に 対応した、透過放射線の強度やエネルギーの変化による吸収線量の変化ににより、検査の ための画像が得られる。図 2-5 に、電子線、γ 線、中性子線の試料の厚みに対する強度変化 の模式図を示す。電子線は、γ 線や中性子線と比較すると、試料の厚さに対する強度変化 はこの図に示すように比較的緩やかである。電子線の強度は、その飛程付近で急激に減衰 する。 図 2-5 電子線、γ 線、中性子線の試料の厚みに対する強度変化の模式図 13 透過に用いる放射線は、Ｘ線(150-400kVp)や 15 MeV 以下のベータトロンあるいは 1-10 MeV のライナックを用いて発生したＸ線、RI（コバルト 60 線源）からの γ 線を用い、中 性子線は特殊な例として利用される。 主に内部欠陥の検出に適しており、内在する欠陥の 2 次元的な形、大きさ、分布などが 目視でわかり、欠陥の種類も推定しやすい。ブローホール（溶融金属中に発生した気泡が 球状又はほぼ球状の空洞の状態で溶接部に残留したもの）、スラグ巻込み（溶着金属中又は 母材との融合部にスラグが残ること）および介在物、並びに溶込み不良などの欠陥は、放 射線の透過する方向に対してそれらの厚さと健全部の厚さに差がある場合に比較的検出が 容易である。金属材料と非金属材料での適用範囲は極めて広い。 割れなどの面状欠陥の検出に対しては、平行に放射線が入射するように、照射方向を変 えるなど撮影方法を考慮して欠陥を検出する必要がある。一般に面状欠陥の検出は困難な 場合が多い[56-58]。 現在では、写真用フィルムや蛍光板に変わって IP を用いる。IP を用いる利点は、画像呼 び出しと画像消去が素早く簡単にできて、繰返し用いることができるからである。 2.3.2 ライナック電子線を用いたラジオグラフィの原理 電子線は、図 2-5 に示したエネルギー吸収の差による欠陥の検出が可能である。しかし、 ある程度の厚みがある対象では、原子核との弾性散乱が顕著となり、像のぼけが生じるた めに、一般にはほとんど利用されない。逆に、散乱挙動によって、試料の縁に高い濃淡の コンラストを持った透過画像を得る事ができる。 ラジオグラフィの特徴を図 2-6 に示す。試料の縁の部分に、散乱挙動による重なりに起 因する最も大きいコントラストが発生する。これは、直接 IP に入射する電子と物質から散 乱により入射する電子の重なりで、物質の端部のすぐ外側の線量が高くなり、逆に端部内 側の線量が低くなる結果起きる。端部を境に急激な線量の変化、コントラストが生じて、 像を形成する。 物質内部に空隙がある場合、電子線の散乱挙動によって、その空隙内部に集まる現象が 起きる。この空隙が斜めに位置するクラック状のものでも同様である。その結果、試料内 部の損傷の像が現れる。非常に薄い対象や微細なクラックの検知に有効である可能性があ るが、この研究はほとんど行われていない。例えば、構造材の強度に影響するセラミッス クの微小クラックの検出などへの応用が考えられる。 14 図 2-6 ラジオグラフィの特徴 2.4 参考文献 51) M. MURAZAKI et ale. Re-evalution of Dose Measurements under Criticality accidents at SILENE and TRACY Using TLDs、JAEA-Tecnology-2009-022 52) FUJI:BAS Technical Information No.1. 53) FUJI FILM Co. : CR-IR Manual 2006.12. 54) FUJI FILM Co. : FUJIFILM COMPUTED RADIOGRAPHY CR Console Manual 2007 55) 岩崎信之他、FCR 画像処理解説書，富士フィルムメディカル株式会社、29、31. 56) 吉岡靖夫他、非破壊検査第 39 巻、第 8 号、667、(1990). 57) Masumoto, K., Toyoda, A., Eda, K., Izumi, Y. and Shibata, T. Evaluation of radioactivity induced in the accelerator building and its application to decontamination work, J. Radioanal. Nucl. Chem, 469、255、465(2003). 58) Masumoto, K., Toyoda, A., Eda, K. and Ishihara, T. Measurement of the Spatial Distribution of Neutron in an Accelerator Room by the Combination of Activation Detectors and Imaging Plate.: Radiation Safety Management 1(1)、(2002). 15 3章 実験方法 3.1 放射線線量計とその使用方法 3.1.1 使用した TLD とそのエレメント 今回、実験に用いた TLD 読取機と諸元値を表 3-1 表 3-2 に示す。なお、TL バッジとは Panasonic 社における商品名称である。 表 3-1 TL バッジ読取り機 項目 適用 TL バッジ 加熱方法 測定方法 測定範囲 測定時間 再現性 校正 感度補正 番号コード ビット数 データ入力 データ表示 保存データ エラーチェック 出力インターフェイ ス 電源断絶時 プリンタ 寸法 質量 使用温度 使用湿度 電源 Panasonic 社製 UD-706P の諸元表 仕様 UD-800 シリーズ 赤外線加熱 フォトン計数法と電流積分法の併用 Li2B4O7 100 μSv-10 Sv 10 mR-1000 R CaSO4 10 μSv-500 mSv 1 mR-50 R 約 30 秒/4 エレメント Li2B4O7 σ=5 %、2.5 mSv にて (250 mR) CaSO4 σ=3 %、2.5 mSv にて (250 mR) 標準照射によって自動校正が可能 内蔵調整用光源によって自動補正を実行 BCD コード、光学式読取 個人番号は 7 桁（28 ビット） バッジコードは 3 桁（10 ビット） キーボード入力（パラメータ、ECF 等） LED 8 桁 測定データ 500 バッジ分、ECF 500 バッジ分 TL バッジ、測定装置の両方に自動で実施 RS-232C インターフェイス 不揮発性メモリに記憶 リチウム電池によるバックアッ プ 放電式プリンタ 20 文字/行 約 幅 493 mm 奥行 366 mm 高さ 237 mm 突起物除く 約 27 kg 0 -40℃ 80 % RH 以下 100 V±10 %、50/60 Hz 16 表 3-2 TL バッジ 項目 TL 品番 用途 測定線及び測定 範囲 使用読取機 使用ハンガー バッジ番号 寸法 質量 Panasonic 社製 UD-802PQ の諸元表 仕様 UD-802PQ 個人被曝測定 X 線 γ 線 10 μSv-10 Sv（10 keV-10 MeV） おおよそのエネルギー評価可能 β 線 100 μSv-10 Sv（0.5 MeV-10 MeV） 測定範囲は単一線質とする。 UD-706P UD-854P 指定で最大 7 桁 幅 49 mm 厚み 6 mm（3 mm） 高さ 23 mm 6 g 以下 表 3-3 に UD-854P 系 TL バッジハンガーの諸元値を示す。 表 3-3 UD-854P 系 TL バッジハンガーの諸元値 項目 品番 タイプ 本体部材料 色 質量 寸法 表面厚み 着用機構 仕様 UD-854P オープン型 ABS 樹脂 透明（多少の曇りあり） 約 7 g 以下 幅 49 mm 厚み 20 mm（9 mm） 高さ 19 mm E1 に対して 開放 E2 に対して 樹脂 190 mg/cm3 E3 に対して 樹脂 190 mg/cm3 E4 に対して 樹脂 190 mg/cm3 樹脂クリップ 表 3-4 に UD-802PQ 系 TLD のエレメント及びシールド構成を示す。 17 表 3-4 UD-802PQ 系 TL バッジのエレメント及びシールド構成 エレメント番号 EL1 EL2 EL3 EL4 蛍光材料 n Li2nB4O7 （Cu） n Li2nB4O7 （Cu） CaSO4 （Tm） CaSO4 （Tm） シールド 樹脂 14 mg/cm3 樹脂 160 mg/cm3 樹脂 160 mg/cm3 鉛 厚さ 0.7 mm 本研究では、TLD を、ある 1 点における放射線の線量をモニタするための放射線線量計 として用いた。素子は 4 種類あり、今回の実験には、素子 No.3（EL3）を用いた。EL3 の 測定対象は、γ 線、X 線、β 線である。EL3 の蛍光材料は CaSO4（Tm）で、シールド材料 は樹脂である。EL3 の測定線量範囲は、10 μSv-500 mSv （1 mR-50 R）である。 読取り機では、赤外線加熱（400 ℃）で光子を放出させ、光子計数法と電流積分法の併 用で測定する。 3.1.2 使用した IP とその取扱い 今回の実験では、市販の X 線撮影用の IP（CR SR-VI、富士フィルム製）と画像読取り機 （AC-7/ST、富士フィルム製）を使用した。図 3-1 に IP の断面構造を示す。実際の IP は上 記の特性を持った輝尽性蛍光体(BaFX:Eu2+ , X＝Cl, Br, I)、粒子サイズ:4-5 μm をポリマーバ インダーと共にプラスチックベース上に厚さ 150-300 μm で塗布したものであり、目的に応 じて種々の異なる IP が用意される。 IP のセンサー層の厚さは 120 μm で、その前部に厚さ 6 μm のプラスチックの保護層が、 また後部には 188 μm のプラスチックの保持層と読み取りの際にフィルムの保持に必要な 160 μm の磁石層がある。寸法は 20 cm × 25 cm、分解能は 0.1 mm × 0.1 mm である。 通常の放射線に対する IP の利用では、読み取り用カセッテ（タイプ CC）内に IP を収納 した状態で使用する。このカセッテの前部には鉛の層がある。γ 線照射の場合には、電子 平衡が成り立っていることが、アルミニウム板を前面に設置した実験により確認されてい る。IP は、通常の可視光によっても信号が失われるので、このカセッテは遮光の役割も果 たしている。 IP の画像は、通常ピクト画像である。これは、PSL 値を正規化、10-8 bit 処理、コント ラスト自動調整をしたものである。線量評価に必要な PSL 値は、画像読み取り機の通常設 18 定では取得できない。PSL 値を取得するには、画像読み取り機を起動した後、読み取りを 行う前に 12 bit 配送に設定する。 図 3-1 3.2 3.2.1 IP の断面構造図 γ 線照射実験 γ 線の基本性質 γ 線は、励起エネルギー状態にある原子核がより低い状態または基底状態に移るとき、 もしくは粒子が消滅するときに生ずる電磁波である。波長は 10-12-10-14 m である。エネルギ ーで表示すると 0.1-100 MeV 程度である。 γ 線は α 壊変または β 壊変、あるいは核反応に付随して放出され、核種に固有な一定の エネルギーをもっている。X 線は、電子が加速度を受けた場合に、典型的には標的に入射 したときに放射される制動放射などの電磁波である。通常短波長光であるが、γ 線と X 線 との区別は波長ではなく発生機構によっている。 19 発生機構の違いを明確に別ける必要がない場合には、波長領域による区分として一意的 に扱い、X 線よりも高いエネルギー領域 (短い波長領域)の電磁波をまとめて γ 線と呼ぶ こともある。γ 線はＸ線より一般にエネルギーが高いので透過力が強く、工業分野での 非破壊検査等に利用される。 γ 線源のコバルト 60 は、半減期 5.3 年と比較的長く、かつ不安定な原子である。最大エ ネルギー0.31MeV の β 線を放出してニッケル 60 の励起状態へ移行する。この励起状態の 寿命は 10−10 秒より短く、直ちに 1.17 MeV のエネルギーを γ 線という形で放出して、一段 下の励起状態へ落ちる。更にこの励起状態の寿命も同様に短く(1.2×10−12 秒)、1.33 MeV の γ 線を放出してニッケル 60 の安定な基底状態へ移行する。 同様に γ 線源であるセシウム 137 は、原子炉内の原子核分裂生成物の中に含まれていて 分離操作によって得られる。半減期は 30 年と長く、β 線を放出してバリウム 137 の励起状 態へ移行する。この励起状態は 2.6 分の寿命で 0.662 MeV の γ 線を放出してバリウム 137 の安定な基底状態へ移行する。これらの様子をコバルト 60 とセシウム 137 の各々につい て図 3-2 に示す[59-62]。 図 3-2 コバルト 60 とセシウム 137 の基底状態への移行 20 3.2.2 γ 線照射の実験条件 遮蔽透過 γ 線強度をモニタするための IP を用いた測定、および高エネルギー電子線に対 する IP の応答を比較するための γ 線照射実験には、それぞれ非破壊検査用のセシウム 137γ 線源とコバルト 60γ 線源を用いた。これは、γ 線源を格納する鉛製容器、線源案内管と、誘 導管から成る。図 3-3 は、67 GBq のセシウム 137γ 線源と 3.7 GBq のコバルト 60γ 線源によ る照射実験配置を示す。いずれも大阪府立大学放射線研究センターの γ 線照射施設 [68]を 使用した。γ 線源は、手動クランクアウト機構を介してガイドチューブの先頭に導入され た。TLD を、ある点における線量計として用いた。 遮蔽透過実験の条件は、セシウム 137γ 線源から 0.15 m 離れた位置に IP を設置し、照射 時間を 90 秒とした。 γ 線の照射実験では、TLD と IP が線源から 400 mm 離れた位置に配置され、IP に対して γ 線を垂直に照射した。実験中の温度は 20℃であった。γ 線照射後、IP の読み出しまでの 時間を変化させて同様の実験を行った結果、フェーディングが平衡に達し減少が緩やかに なるのが、15 分以降であった。 図 3-3 セシウム 137γ 線（上図）とコバルト 60γ 線（下図）の照射実験配置 21 IP の応答とフェーディング特性を X 線および電子線と比較する実験では、同じコバルト 60 γ 線照射施設を用いた。この場合、照射室の中央に線源が遮蔽とともに床下に設置され ており、照射試料をセットして、遮蔽扉を閉めた後、外部から金属ワイヤーで照射室床面 から 63.5 cm の高さに持ち上げた。ペンシル状線源の放射能は 3.7 TBq である。γ 線の照射 線量率は、電離箱（UNIDOSE 型、PTW 社と TN31013 Type、EMF ジャパン社）を用いて測 定し、その誤差は、約 5％と評価されている。 照射線量率は、試料と線源の距離で決め、100 cm とした。試料の床面からの高さは照射 時の線源と同じである。線量率は、0.12 Gy/s であった。γ 線を、IP に対して垂直に照射し た。γ 線の照射時間で照射線量を変えて、IP の応答である PSL 値を求めた。照射時間は、 最大で 60 秒であった。線源の上げ下げに要する時間は、約 8 s で、この間の照射線量を評 価した。γ 線の照射線量は TLD を用いて評価した。γ 線源からの距離が、を照射地点とし て、照射線量に対する IP の応答である PSL 値を求めた。実験中の温度は 15℃であった。 IP の読み取りは、照射終了後 120 秒経過してから行った。 同じ条件で照射を行った後に、読み取りまでの時間を変化させて γ 線に対するフェーデ ィング特性を求めた。TLD の使用方法は 3.1 章に述べた。 表 3-5 に、TLD に対するコバルト 60 線源の γ 線を用いた照射実験条件を示す 表 3-5 IP と TLD に対するコバルト線源の γ 線を用いた照射実験条件 実験条件 実験時の天候 実験時の気温 計測場所 実験に用いた線源核種 実験に用いた線源強度 計測位置 TLD に対する遮蔽 実験条件詳細 晴れ 20 ℃ C-12 棟 第３照射室 コバルト 60 3.7 TBq 線源中央より 1.0 m 離れた、 照射室床面より 0.64 m 高い金属性机の上 無 22 3.3 3.3.1 X 線照射実験 X 線源 研究、医学診断および産業利用などの比較的エネルギーが低い X 線の場合は、小型で取 り扱いが容易な X 線管（クーリッジ管）が一般に利用される。図 3-4 に X 線管の構造を示 す。 図 3-4 X 線管の構造 高温に熱したフィラメントから熱電子を発生させ、10-300 keV の高電圧で加速して、金 属ターゲット(陽極)に衝突させると制動放射 X 線が発生する。発生した X 線のエネルギー スペクトルは、電子の加速エネルギーを最大エネルギーとする制動放射による連続スペク トルと、ターゲット金属の原子構造によってエネルギーが決まる線スペクトル（特性 X 線） の混在したものとなる。物質の X 線回折分析や蛍光 X 線分析等の研究分野では線スペクト ルを利用し、医学分野や産業分野では連続および線スペクトルが混在した状態で利用され ている。 ターゲットの材料は、連続スペクトルを利用する場合は主にタングステンを採用し、線 スペクトルを利用する場合は銅、モリブデン、コバルト、クロム、鉄、銀等の金属元素の 中から使用したい X 線エネルギーに応じて選定している。材料の非破壊検査や医学利用の 場合には、タングステン・ターゲットで発生した X 線を直接利用している。X 線の線スペ 23 クトルを利用するためには、線および連続スペクトルの混在したスペクトルから、フィル タや回折格子を使用してターゲット金属に固有な線スペクトル部分のみを取り出す。 ターゲットで消費される電力による発熱量が大きい場合には、ターゲットが溶解するお それがあるため、水等で冷却して使用する。 X 線を取り出す窓の材料は通常ベリリウムの薄膜を使用している。X 線のエネルギー発 生効率は、加速電圧 100 kV、ターゲットにタングステンを使用した場合に約 0.7 ％程度で ある。 研究用の X 線発生装置は、加速電圧約 60 kV、電流 50-300 mA 程度であり X 線管電流が 多いのが特徴である。これは、線および連続スペクトルの混在した部分から回折格子等を 用いて線スペクトル部分だけを取り出すので X 線の利用効率が悪く、必然的に初期 X 線発 生量を多くしているためである。 実際に利用する X 線のエネルギーは、例えばターゲットに銅を使用した場合約 8 keV 程 度である。加速電圧が約 60 kV の X 線は 0.8 mm の鉄で透過量を半分にすることができ（半 価層）、同じく 8 mm の鉄で透過量を約 1000 分の 1 にすることができる。 遮蔽材料には鉄、鉛等を使用する。遮蔽材料に鉛を使用した場合、加速電圧 150 kV で発 生した X 線の半価層は約 0.3 mm である。 24 3.3.2 TLD を用いて X 線を測定した実験の方法 実験に用いた、X 線発生装置の仕様を表 3-6 に、X 線測定実験の方法を表 3-7 に示す。 表 3-6 項目 製造元 型式 入力 出力 タイマー 管球形名 消費電力 冷却方式 装置寸法 キャビネット内寸 法 装置重量 漏洩線量 防護方式 透視寸法 撮影寸法 X 線発生装置の仕様 仕様 ソフテックス株式会社 M-1005 AC 100 V 50 Hz-60 HZ 最大管電圧 100 kVp (無段可変) 最大管電流 5 mA (無段可変) デジタルタイマー SOFTEX I-1005 (Be 窓) 焦点 0.4×0.4 mm 0.8 kVA 油浸冷却 約 幅 550 mm 奥行 550 mm 高さ 1000 mm 約 幅 470 mm 奥行 480 mm 高さ 580 mm 約 260 kg 装置表面において 0.1 mR/h 以下 完全防護暗箱形 蛍光板有効視野 180×180 mm レンズ倍率 約2倍 キャピネ・六切・四切 25 表 3-7 手順 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7） X 線測定実験の方法 操作 電源スイッチを ON にする 管電圧調整ダイヤルを回し 任意の管電圧に合せる タイマーのプリセットスイッチを 押して X 線照射時間をセットする 扉を開ける 線量計・ラジオグラフィの試料を 用いたい距離の棚にセットする 扉を閉める X 線スイッチを ON にする 装置の作動状態 電源ランプが緑色に点灯 kVp の針が振れる 分・秒がデジタル表示される X 線パイロットランプが赤色点灯 タイマーカウント開始 8) 管電流調整ダイヤルを回し 任意の管電流に合せる mA の針が振れる 9) セット時間終了と同時に X 線終了 X 線パイロットランプが赤色消灯 タイマーカウント終了 10) 注意 1) 注意 2) 作業修了後は調整ツマミを戻す 電源スイッチを OFF にする 作業を繰り返すならば 4)から 9)の手順を繰り返す X 線照射を停止する時は X 線 OFF スイッチを使用する タイマーカウント修了後に訂正する タイマー破損の原因 このように TLD に対して照射実験を行った。TLD の使用方法は 3 章 1 に従う。 この装置を用いた X 線の照射実験では、照射条件は、管電圧 10 kVp、管電流 0.5 mA で 一定として、照射時間を変えて、線量を変化させた。X 線発生口から試料までの距離は 0.40 m であった。 26 3.4 超微弱ライナック電子線による実験 3.4.1 電子ライナックにおける超微弱電子線の生成 IP は、電離放射線に対し非常に高感度な特性を持つ。高感度の線量計の特性を調べるた めには比較的高エネルギーで微弱な電子線が必要である。これまでラジオアイソトープか らのβ線源が利用されてきた。しかし電子のエネルギーは、比較的広いスペクトル幅を持 つ上、エネルギーを変化させることができない。通常のライナックからの加速器電子線が 利用できれば、エネルギーや方向は制御できるが、高感度放射線線量計の特性研究などの ために十分低い強度には微弱化することはできなかった。安定に微弱電子線を生成させる ことは、高度な加速器技術を必要とし、非常に困難であった。大阪府立大学では、S バン ド電子ライナックを用いて、超微弱な電子線を発生させることに成功し、広く利用研究を 行っている[75]。その一つの目的は、高感度の放射線線量計の応答を調べる研究である。 他にも、高度計測、生物影響の研究などへの応用が広く考えられている。本研究では、こ の電子線を利用して、IP および TLD の応答を調べて、IP の線量計としての応用の基礎研 究を行った。 図 3-5 に、大阪府立大学 16 MeV S バンドライナックの構成を示す。系内が真空引きさ れたライナックの左端に位置する熱電子銃のカソード電極から電子が直流電圧で入射され る。その後、高周波により、バンチングと加速の過程を経て、加速管で光速近傍まで加速 される。この電子線は、下に曲げてエネルギーを設定し、その後直進させる。 コンクリートの遮蔽壁を貫通した輸送管を通して、照射実験室に電子ビームを導く。こ の照射室では、輸送系で発生した X 線の影響が少なく、バックグラウンドの少ない条件で 計測を行うことができる。この間、Q レンズで集束させながら輸送し、右端のチタン箔で 出来た電子取出窓から大気中に取出される。ビーム強度はビーム電流モニタで測定する。 このような過程を経て発生させた電子線の電荷量は、通常 1 μC-1 nC である。このライナ ックの主要な諸元値は、ビームエネルギー：最大 16 MeV 、パルス幅：50 ns-5 μs 、パル ス繰り返し：10-500 pps である。 加速器システムは、汎用の実験装置である。種々の条件において照射実験を行うことが できる。ビームを下にまげて走査し、試料をコンベアで送りながら上部から広い面積に照 射するシステムがある。 27 Gun Accelerating wave guide ML Buncher Collimator BPM Slit BM Q BPM Shielding wall BCM BPM Q Q ML: Magnetic lenz Q: Quadrupole magnets BM: Bending magnet BPM: Beam profile monitor BCM: Beam current monitor BM Conveyer 図 2：図整備後の OPU S電子ライナックシステム バンド電子ライナックの構成 3-5 大阪府立大学 このような強度の上記の電荷量を持つ電子線を、IP で直接計測することは困難であり、 微弱化が必要である。IP に照射するためには、ビーム電荷量を pC から fC まで微弱化する 必要がある。微弱電子線発生時のビームエネルギーは約 8 MeV で、IP に照射した電子ビ ームの電荷量は約 10 pC である。電子線の微弱化とその過程におけるビームモニタの方法 について表 3-8 および図 3-6 に示す。 表 3-8 電子線の微弱化過程 電子線の 微弱化方法 電子線の 微弱化度合い 入射パルス幅 狭く 1/20 程度 狭いスリット 挿入 1/100 程度 カソードヒーター電流 絞る 1/10000 程度 RF パルス幅 狭く 1/100 程度 28 図 3-6 電子線微弱化（上図）とビームモニタ（下図）の概念図 超微弱電子線を発生させるためにライナックの構成機器を次のように制御した。 ① 電子銃からの電流注入が安定した条件下で、熱電子銃の陰極のヒータ電流を減少させ ることによって電子線を微弱化した。 ② 電子線を加速した後、運転条件が安定した状態となるように、エネルギーの最大値を 決定した。 ③ 電子線は遮蔽壁を通って直進方向に輸送された。電荷量 nC/pulse 程度まで微弱化した ビームの像をシンチレーター(ZnCdS)と CCD カメラで観測しながら Q レンズを用いてビ ームを集束させた。この監視システムは、電子線微弱化調整の過程で使用した。 29 ④ 電子線の強度は、水冷却ビームスリットを用いて減少させた。そのビーム減衰率は約 1/350 であった。上記の結果得られた電子線の最小電荷量は、1 パルスあたり約 1 fC であ った。 ⑤ 事前に透過効率を求めたスリットで入射ビームを約 10 pC/pulse に弱めた。電子線の強 度は、あらかじめ特性を測定した放射線線量計で測定した。 今回の実験では、微弱化された電子線のエネルギーは 8 MeV、パルス幅は 4 μs、電荷量 は、1 パルスあたり約 10 pC であった。電子線取出窓のチタン箔から 0.40 m の位置で IP に垂直に照射した。 3.4.2 電子線ラジオグラフィの実験方法 放射線透過試験の方法には、3 つの方法があり、その概要を次に示す[63-64]。 1) 直接撮影法 放射線の写真作用を利用して透過像を IP に撮影する方法で、試験体を透過した放射線の 強さの変化を IP に画像の濃淡の変化として記録する。現在、最も一般的な方法である。 2) 間接撮影法 放射線の蛍光作用を利用して透過像を蛍光板で可視像に変え、カメラでフィルム上に 撮影する方法である。工業分野での利用は少ない。 3) 透視法 蛍光増倍管を使用して可視像をテレビカメラで撮影し、モニターテレビで観察する手法 が透視法の中でも一般的である。この方式はリアルタイムでの検査が可能であるため、オ ンラインでの製品検査に利用されている。 本研究では直接撮影法用いた。図 3-7 に配置を示す。一般的には、その撮影配置は試験 体に対して十分離れた距離にある線源、試験体および IP からなっている。 透過写真の像質は、使用する IP の種類および撮影条件によって異なる。鮮明な透過写真 を撮影するために、放射線源の焦点寸法を小さくする必要がある。焦点の大きさが決れば、 試験体と IP 間距離をなるべく小さく、また焦点と試験体間距離をなるべく大きくする。 30 図 3-7 直接撮影法の配置図 撮像時の条件は、試料の取り付けられた側に向けて IP に対して垂直に入射するように、 約 10 pC/pulse の電荷を持った超微弱電子線を 1 パルス照射した。この時のビームエネルギ ーは 8 MeV、ビーム電流は 5 μA、パルス幅は 4 μs である。電子線取出窓からの距離は 0.40 m である。 31 3.5 参考文献 59) 科学技術庁原子力安全局放射線安全課長通知 「放射線発生装置使用施設における放射化物の取り扱いについて」、 (1998). 60) 日本アイソトープ協会 放射線利用統計 2007 (2007). 61) 宮原諄二、RADIOISOTOPES, 47(2), 143-154(1998). 62) 山寺亮、RADIOISOTOPES, 49(1), 32-37(2007) 63) 三浦他、放射線計測学 共立出版. 64) G. Knoll et al. 放射線計測ハンドブック 日刊工業新聞社. 32 4章 γ 線照射実験の結果と考察 4.1 セシウム 137γ 線の遮蔽透過分布の IP によるモニタ 東京電力福島第一発電所事故に伴うラジオアイソトープによる汚染で、主たる各種であ るセシウム 137 からの線の遮蔽が重要である。一般に遮蔽は非均質で、透過 γ 線の分布を モニタすることは困難である。本研究では、γ 線遮蔽の特性を評価するために IP の利用特 性について研究を行った[69]。 IP から得られる PSL 値は、均一な照射において電子平衡が成立する場合は γ 線の照射線 量に比例すると考えられる。しかし不均一な照射において対象の吸収線量を評価し、その 2 次元分布を得ることも可能であると推定される。 この実験の目的から、IP をカセッテに挿入せずに、種々の試料を透過した γ 線照射によ る PSL 値の分布を像に変換して観察した。 図 4-1 IP の右半分を厚さ 0.3 mm の銅板で覆い、その上に 3 枚の鉛板（厚さは図に示す） を置いてセシウム 137γ 線を照射して得られた透過像 33 図 4-1 は、IP の右面を厚さ 0.3 mm の銅版で覆い、その上に長方形の鉛板を載せた試料に γ 線を照射した結果である。鉛板の厚みは図に示す。色の濃いほうが線量が多いことを示 している。銅版の下で線量が多く表れているのは、2 次電子の影響と考えられる。また PSL 値は、遮蔽の厚さに従って指数関数的に減少する結果も得られた。 このように IP の PSL 値によって、非均質な遮蔽に対する透過 γ 線の強度分布が得られる ことが明らかになった。 遮蔽能力は、PSL 値の相対比較によって得られる。この研究を基礎に、さらに線量を定 量化することが次の研究課題である。 4.2 コバルト 60線照射における 2 次元線量分布の IP による測定 4.2.1 緒言 コバルト 60 からの γ 線は、さまざまな分野で照射利用が行われている。特に放射線治療 や滅菌、放射線プロセスでは、2 次元の照射線量分布を高感度に測定することは重要な意 味を持つ。通常、γ 線は透過力が大きく、ほぼ均一に照射しながら対象を透過する。ただ、 この γ 線照射では、対象から 2 次的に放出された幅広いエネルギー広がりを持つコンプト ン電子による照射と考えることができる。対象が非均質な場合その応答を調べることは困 難である。 IP は、主に X 線に対して非常に高感度に 2 次元の強度分布の画像を得ることができ、デ ジタル信号の画像処理能力により、医学分野における診断や、非破壊検査用に用いられて きた[65]。その特性を利用して、広く他の放射線の検出や定量にも利用されている。しか し 2 次元放射線線量計への応用については、定量化が困難で、十分な研究が行われていな い。 著者らは、これまでの研究で、セシウム 137線を用いて、遮蔽に対する透過線による吸 収線量分布を IP の PSL 値から相対的に求めて、遮蔽の局所的な能力を評価することに成功 した。これは IP を線の 2 次元吸収線量分布測定に利用できる可能性を示唆する。さらに 通常の使用において、電子平衡を満足する条件で測定すると、透過線の強度分布そのもの 34 の観測も可能であると考えられる。 本研究では、IP に関するこれまでの研究結果を踏まえ、電子線照射の結果と比較しなが ら γ 線に対する IP の応答を調べ、線照射の際の物質中での線量分布の評価に利用するこ とを目的とした。大阪府立大学のコバルト 60γ 線照射施設を利用して、IP の応答およびフ ェーディング特性を調べ、2 次元線量分布測定の方法を明らかにし、モデル試料に対する γ線照射における照射線量分布の測定とその評価を試みた。 4.2.2 実験方法 通常の放射線に対する IP の利用では、読取り用カセッテ内に IP を収納した状態で使用 する。本研究で使用したカセッテ（タイプ CC）の前部には鉛層がある。γ 線照射の場合に は、電子平衡が成り立っていることが、アルミニウム板を前面に設置した実験により確認 されている。広くエネルギーが分布した γ 線からの 2 次電子の照射によって局所的な吸収 線量が決まることを考慮し、カセッテを用いず、厚さ 12 μm のアルミニウムフォイルで全 体を覆って遮光した。吸収線量分布は、位置及び PSL 値から与えられる。同じ IP に対し てその感度の均一性を調べるために γ 線照射を行った。この場合の IP 上の PSL 値のばらつ きは、1%以下であることがわかった[68]。本実験における γ 線の照射線量は、データの消 去時に残像が IP に残らない程度に、十分に低いものであった[71, 72]。IP は読出しとデー タ消去の手順の後に、同じものを繰り返し使用した。IP の読取りに必要な時間は、約 10 s であった。 TLD は個人被ばく線量であるが、局所の線量をモニタするために利用できる。IP と同様 に、プラスチックケースに入れて電子平衡を満たすようにすると、γ 線の強度もにたとし て、またケースからはずして利用すると、局所的な吸収線量のモニタとして利用できる。 本実験では、電子平衡状態での IP への照射線量と IP 表面での吸収線量を評価するため に、TLD をモニタとして用いた。後述のように、エネルギー約 8 MeV の電子線形加速器（電 子ライナック）からの電子線、管電圧 60 kV の X 線による IP の応答を調べた[68]が、その 際の照射線量評価にこの TLD を用いた。 35 4.2.3 実験結果と考察 本研究では、IP を γ 線の線量分布のモニタとして、電子平衡を満たす条件で使用する条 件を求めるとともに、局所的な吸収線量を評価するためのモニタとして使用することも目 的としている。いずれの場合も、放射線の線量を定量しなければならない。後者の場合の 線量評価には、局所における線量をモニタできる TLD を併用した。線量の定量のためには、 線量と、TLD の出力信号、また IP の出力である PSL 値との線形性を確認しなければなら ない。さらに、照射から読取りまでのフェーディングを評価しなければならない。TLD に ついては、その読取り操作の上でフェーディングが無視できると考えられる。 4.2.3.1 γ 線照射における TLD の応答 γ 線照射は、前述の照射室において固定の線源を利用して行われた。γ 線照射における照 射線量の評価の基準として、高エネルギー電子、X 線の際にも基準とした TLD を用いた。 TLD は、電子平衡を満足するために、プラスチックケースに入れて測定した。これは通常 の個人被ばく線量を測定する場合の条件である。照射後 120 s で読取りを行った。照射時間 と、測定結果として TLD に表示される線量の関係を図 4-2 に示す。照射場を決めるために 校正された電離箱で測定した照射線量率は、空気に対する吸収線量率として、0.12 Gy/s で あった。照射線量は、7.2 Gy 以下で行われた。これらの値から、照射時間と照射線量の関 係が求められる。 TLD の読み取りや電離箱の測定誤差、γ 線の照射時間の誤差などから推定される誤差は 5 ％である。この図から γ 線の照射線量と TLD の表示値の間に線形関係が成り立っている ことがわかる。また空気に対する吸収線量としての照射線量と、TLD の読取り信号の表示 値である生体組織に対する実効線量の値は、ほぼ一致していることがわかる。このことは、 本実験方法の妥当性を示しているといえる。 一連の実験で、同じ TLD が繰り返し使用された。繰り返しデータ読取りを行って、前の 照射影響が残らないようにした。 36 10000 9000 TLD dose [μGy] 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0 20 40 60 80 100 Exposure time [s] 図 4-2 γ 線照射時間と TLD の表示線量との関係 4.2.3.2 γ 線照射における IP の応答 γ 線照射は、前述の TLD の照射と同じ条件で行われた。電離箱で測定した照射線量率は、 空気に対する吸収線量率として、0.12 Gy/s であった。照射時間を変えて線量を変化させた。 これらの値から、照射線量が評価できる。いずれも、照射後 120 s で、データの読取りを行 った。照射時間と PSL 値との関係を示したものが図 4-3 である。後述のフェーディングに ついての測定結果から明らかなように、照射時間の違いによるフェーディングの違いはわ ずかである。 この図から明らかなように、この線量の領域で、γ 線の照射線量と PSL 値のあいだに線 形関係が認められる。この関係から、得られた PSL 値に基づいて電子平衡が成り立つ場合 の照射線量が評価できる。また TLD の表示線量を基準にして、X 線と高エネルギー加速器 電子線に対する PSL 値を γ 線の PSL 値と比較することができる。これまでに行った研究の 結果は後述のとおりであるが、これらと比較すると、エネルギーが約 8 MeV のライナック 電子線を照射した IP に対し、TLD の同じ表示線量に対する PSL の値は、約 20%大きい。 両者とも、結果としては電子の照射と考えられるが、この違いは明らかではない。ただ、 37 両者には、エネルギーとその分布に大きな差異がある。また管電圧 60 kV の X 線の場合と 比べると、PSL 値は 2 桁程度小さい。これについての議論は後で行う。 600 PSLvalue [/mm2] 500 400 300 200 100 0 0 100 200 300 400 500 600 Exposure time [s] 図 4-3 γ 線照射時間と IP の PSL 値との関係 4.2.3.3 IP のフェーディング特性の測定結果 放射線を照射した IP は、時間の経過に伴う読取り信号の減衰、フェーディングが起きる。 本研究では、γ 線の照射終了直後から読取りまでの時間を最大 10000 分まで大きく変えて その影響を調べた。この場合、照射直後には測定ができないため、照射後から測定までの 経過時間 120 s における PSL 値のデータを基準として規格化した。実験中の温度は 15℃で あった。実験環境の温度 10℃の時は 5%の減少、25℃の時は 10%の増加となった。実験環 境の温度については、通常の条件では大きく測定結果に影響がなく、また温度影響に関す るより詳細な実験結果に基づいて補正が可能であると考えられる。 温度 15℃におけるフェーディングに関するの測定結果を、60 分までの結果については図 4-4 に、また 10000 分までの結果については図 4-5 に示す。これらの図から明らかなように、 照射直後の PSL 値の減衰が比較的大きく、その後徐々に減衰が緩やかになる。照射直後の 状況は不明であるが、ただ照射後 10-20 分程度の時間におけるフェーディングは比較的わ 38 ずかである。このことから、実験時には、読み取り時間を記録しフェーディングを考慮し た補正をすれば、精度良い結果が得られることがわかる。 図 4-4 の曲線は特徴的な減衰の仕方を表し、この傾向は後述の X 線や電子線の結果と良 く似た傾向を示している。IP は開発された商品であるため、詳細な情報は得られていない が、放射線照射によって電子が移動する励起状態の種類が IP に多く存在することを示唆し ている。室温でのアニールにより、異なる活性かエネルギーに対応する時間でそれぞれが 基底状態にもどるためにこのような傾向を示したものと考えられる。より詳細な研究によ って、この状態についての知見を得ることができると考えられる。また放射線の線種の違 いによる結果の比較で、線量計としての特性をより詳細に比較できると期待される。 今回の結果は、特に高エネルギー電子の結果と良く一致しており、両者の励起に対する 作用が類似していることを示唆する。 39 1.00 Normalized PSL value [%] 0.98 0.96 0.94 0.92 0.90 0.88 0.86 0 10 20 30 40 Time after exposure [min] 50 60 図 4-4 照射後経過時間と規格化された PSL 値との関係（短時間） 40 1.00 0.95 Normalized PSL value [%] 0.90 0.85 0.80 0.75 0.70 0.65 0.60 0.55 0.50 0 2000 4000 6000 8000 10000 照射後経過時間 [min] 図 4-5 照射後経過時間と規格化された PSL 値との関係（長時間） 41 照射線量とフェーディング特性の関係は調べていないが、線量と PSL の線形性が成り立 つ線量域では、傾向に変化はないと考えられる。 これらのフェーディング特性をあらかじめ調べておくことにより、照射後の測定までの 時間に影響されずに、測定された PSL 値から照射線量を評価することができ、この結果、 IP を γ 線や電子線に対する 2 次元線量計として用いることができると考えられる。 これらの結果から、種々の測定条件においてあらかじめ測定しておいたデータに基づい た補正を行うことによって、IP を γ 線の強度分布に対応する線量分布のモニタができる線 量計として利用できることが明らかになった。 4.2.3.4γ 線照射における局所線量分布の IP による評価 これまでの結果に基づき、γ 線照射の際の局所的な吸収線量を IP を用いてモニタする方 法について調べた。 (b) (a) 5 mm -rays Al foil Acryl plate IP Al plate Al plate 図 4-6 (a)アクリルに覆われていない 5 mm の厚みのアルミニウム板試料の IP での画像(b) 10 mm の厚みのアクリルに覆われた 5 mm の厚みのアルミニウム板試料の IP での画像 各試料の γ 線照射時の配置 42 γ 線を照射した場合の IP の線量計としての特性は、電子平衡を満たした条件における実 験結果から評価できた。これに対し、γ 線を照射する対象のある部分での局所的な照射線 量を求めるためには、エネルギー分布を持つ 2 次電子の照射線量をモニタする必要がある。 一般に γ 線の透過力は大きく、照射対象を十分透過する場合には、均一に照射が行われた と評価されるが、実際の局所的な照射線量は、2 次電子の線量分布に依存する。本研究で は、この 2 次電子の線量分布をモニタするために、IP をカセッテなしで直接利用し、模擬 試料に対する像と、局所的な照射線量に対応する PSL 値を求めた。遮光のために全体をア ルミニウム箔で覆った。この箔は十分薄く、結果への影響は無視できる。 図 4-6 にモデル試料の配置と得られた像を示す。モデル試料として、3 mmΦ の貫通孔を 持つ厚さ 5 mm のアルミニウム板を用いた。厚さ 10 mm のアクリル板は、入射する γ 線に 対して電子平衡を満足させるためのものである。これら全体を遮光のためにアルミニウム 箔で覆った。この状態を模擬的に図に示す。 γ 線の照射時間は 60 s であった。前面にアクリル板を置かない場合 (a)と置いた場合(b) を比較した。(b)においてアルミニウム板試料がない部分に、局所的な線量をモニタするた めに、プラスチックケースをはずした TLD 置いた。この表示線量は 7.4 mSv であった。こ れは、本研究で得られた、電子平衡を満たす場合の照射線量と PSL 値との関係とほぼ一致 している。またアルミニウム板試料がない部分での PSL 値を比較すると、 (a)のほうが(b) より約 10%大きい。γ 線照射においては、2 次的に放出されるコンプトン電子の照射による 影響が主たる作用と考えられるので、前部に電子の放出物質が必要である。そのため、(a) で線量が高かった原因としては、γ 線源のステンレス鋼ホルダーや空気からの 2 次電子の 照射によると推定される。 この図で、アルミニウム板試料の端部に特徴的なコントラストが見られる。単に境界に おける線量の差に基づくものではなく、端部を境に線量が振動しているように見える。こ れは 2 次電子の散乱挙動に基づく非均質試料に特有の現象[73]によるものと推定される。 同様の現象により、IP 表面に置いた厚さ 12 μm のアルミニウム箔の端部が識別できた。 この箔による γ 線の吸収は無視できる。このため、通常の放射線の吸収によるラジオグラ フィでの像とは明らかに異なる。 2 次電子の散乱挙動は、照射試料中に電子が局所的に集まる現象を生み出す原因となる。 43 そのモデル試料として準備した、アルミニウム板試料の貫通孔の中では、最大 16 % (a)、 10% (b)の PSL 値の増加が認められた。このことは γ 線照射で、照射対象の非均質な部分に おいて 2 次電子の散乱に起因する非均一照射の可能性を示唆するもので、今後対象の状態 との関係の検討が必要である。 この研究の結果、γ 線照射における局所的な線量分布の評価に IP が利用できることが明 らかになった。さらにその応用として、非均質な物質中での吸収線量分布にむらを生じる ことがわかり、今後の課題として重要であることが示された。 4.2.4 結言 大阪府立大学放射線研究センターのコバルト 60γ 線照射施設を使用し、2 次元照射線量 計としての IP の利用可能性を調べた。この結果 IP の PSL 値と γ 線の照射線量の間に線形 関係が得られた。IP のフェーディング特性の結果から、照射後測定までの時間を考慮する ことにより、γ 線の 2 次元照射線量分布が IP を用いて比較的高い精度で得られることが明 らかになった。これらの結果は、既に明らかにされている X 線や高エネルギー電子線の結 果と比較された。 また照射試料内部の局所的な照射線量分布の測定に利用する方法が、模擬的な試料に適 用された。この結果、電子線の照射に特有の試料内の非均質に基づく非均一照射の可能性 が明らかになった。 44 4.3 参考文献 65) J. Miyahara, Y. Amemiya, and T. Matsushita, Imaging Plate, J. Phys. Soc. Jpn. 45 (1990), pp. 398-404. [in Japanese] 66) R. Taniguchi, T. Kojima, and S. Okuda, Radiat. Phys. Chem. 76 (2007), pp. 1779-1782. 67) K. Tanaka, T. Yabuuchi, T. Takahasi, T. Ikeda, and S. Okuda, Rev. Sci. Instrum. 76, 013507 (2005), pp. 1-5. 68) H. Shimomura, R. Taniguchi, S. Okuda, H. Miyamaru, H. Matsuura and T. Kojima Response of the imaging plates to the electron beams from a linear accelerator at ultra-low intensity Progress in Nuclear Science and Technology Volume 4 (2014) pp. 721-724 69) H. Miyamaru, I. Murata, R. Taniguchi, H. Shimomura and S. Okuda Gamma-ray transmission evaluation using imaging plate designed for X-ray radiography Progress in Nuclear Science and Technology Volume 4 (2014) pp. 699-703 70) FUJI:BAS Technical Information No.1 71) K. Takahashi, J. luminescence 100, 1-4 (2002), pp. 307-315. 72) J. Shiraishi, D. Tatsumi, H. Huuma, A. Utsunomiya, K. Kusumi, and K. Doi, Jpn. J. Radiological Technol. 57 (2001), pp. 860-867. 73) S. Okuda, S. Nakamura, T. Tabata, K. Fukuda, T. Seiyama and S. Okabe, Radiat. Phys. Chem. 26 (1985) pp. 679-683. 45 5章 超微弱加速器電子線照射実験の結果と考察 5.1 高エネルギー電子線に対する IP の応答 5.1.1 緒言 IP は、前述のように電子線のモニタとしても利用されている。その多くは、線放出各 種の 2 次元分布を見るためのもので、照射線量分布の定量にはほとんど用いられない。し かし IP の特性を活用して、線量計として利用できることは非常に重要である。医療におけ るがん治療では加速器電子線が用いられ、照射線量分布の測定が重要である。 従来、精度の良い高エネルギー電子線照射を、加速器を用いて行う方法がなかった。IP などの計測器が非常に高感度で、ビーム強度を十分弱くできなかったためである。本研究 では、大阪府立大学の電子ライナックにおいて独自に開発した、超微弱加速器電子線を利 用して、研究を行った。 ここでは、その基礎となる高エネルギー電子線に対する IP の応答を調べた。 5.1.2 IP の使用条件 照射実験では、IP を読み取り用カセッテ（タイプ CC）内に収納された状態で使用した。 吸収線量分布は、位置及び IP 上の PSL の強度から与えられる[74, 75, 76, 77, 78]。γ 線、電 子線の照射線量は、残像が IP に残されなかった程度に十分に低いものであった。IP は読み 出し手順の後に繰り返し使用した。 2 次元線量計として IP を用いるには、IP 上の感度の均一性、IP の読み取り時間の再現性、 放射線照射後のフェーディングを考慮しなければならない。 フェーディングは、IP の種類、温度、照射後の読み取り時間によって異なる。本実験に おいて、フェーディングの影響を無視できる読み取り時間を求めて、その時間で読取りを 行った。電子線の照射時間は短く、無視できる。 46 5.1.3 ライナック電子線照射実験 図 5-1 は、超微弱ライナック電子線の照射実験の配置構成を示す。電子線は、集束磁石 を使用して、厚さ 50 μm のチタン箔の真空窓に集束した。この真空窓から 400 mm 離れた 位置に置いた IP に対し垂直に、電子線を照射した。電子線は、集束後の広がりと箔による 散乱が原因となる広がりによって後述のような形状に広がった。このように集束した電子 線を照射したのは、入射線量を正しく知るためである。電子線を後の実験のように広げて 利用すると、電子の線量評価が困難になる。この実験では入射電子の線量を、直接電荷量 で求めることが目的である。 電子線 1 パルスあたりの電子の電荷量は、前述のような方法で見積もった。照射時の電 子の総電荷量は、電子線のパルスの数を変えることにより変化させた。フェーディングを 考慮して、電子線の照射から 15 分後に IP を読み取り機に挿入した。 この実験において、電子線が輸送管などに当たって発生する制動放射 X 線が測定のノイ ズとなるが、このような X 線の影響は、入射電子線の影響と比較して無視できる程度であ った。実験中の温度および IP の読取り時の温度は共に 20℃であった。 図 5-1 超微弱ライナック電子線の照射実験の配置構成 47 5.1.4 γ 線照射実験の結果と考察 IP の 2 次元線量計としての基本的な特性は、γ 線を使用することによって研究されてき た。IP のセンサー層内の吸収線量を評価することは困難である。今回の実験では、電離箱 を用いて評価された空気に対する吸収線量を照射線量として与え、TLD をモニタとして線 量を評価した。IP はカセッテに入れ、また TLD はプラスチックケースに入れて、電子平衡 を満たす条件で測定した。TLD は電子線照射における線量モニタとして、IP と同時に照射 して線量を比較した。 この実験で γ 線照射線量率は、0.039（nC /kg）/ s であった。測定には、同じ IP と TLD が繰り返し使用した。図 5-2 に、γ 線照射線量と読み出し過程で取得した IP の出力 PSL 信 号との関係を示す。 誤差の主な原因は、γ 線照射線量率の誤差と IP 画像の均一性からのずれであった。デー タの最大誤差は約 3%であった。IP の出力 PSL 信号の均一性は、図に示した各データポイ ントを評価し、1％以下の誤差であった。以前の研究では、それが 1.6 ％であることが報告 されていた[74]。 この図は、γ 線の照射線量に対して IP が線形応答を示していることを示している。この 結果を基に、入射電荷量がわかった電子線の照射において TLD を併用して比較し、γ 線の Output PSL signal of IP [arb.units] 照射結果と TLD の線量をもとに、IP の電子線応答を調べることができる。 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 Exposure [nC/kg] 図 5-2 γ 線照射線量と IP の出力 PSL 信号との関係 48 20 5.1.5 超微弱電子線の照射実験の結果と考察 図 5-3 に、IP の応答を調べるために照射された超微弱ライナック電子線の IP 上に記録さ れた像の典型的な例を示す。濃い色のほうが照射線量が高いことを示している。電子線は IP の中に十分に集束されていることがわかる。通常の電子線では、強度が高すぎで、IP の 使用範囲の上限を大きく上回る。この像は、画像としての表示モードで読取られ、画像処 理されている。電子線は、γ 線と異なり、電子的阻止により直接対象にエネルギーを与え る。このため電子平衡を考慮する必要がない。また電子平衡を考慮した、IP のカセッテや TLD のプラスチックケースをほとんどエネルギー損失なしに透過し、IP に与える影響、す なわち PSL 値への影響がほとんど無視できる。このため、IP と入射電子の相互作用につい て、比較的容易に評価できる可能性がある。 入射電子の電荷は、前述の電気的な計測法で求められ、IP 上での電荷分布は、PSL 値の 分布から評価した。電子の入射強度と PSL 値の比例関係は確認できている。 図 5-4 は、照射電子線の電子の電荷と、IP の出力 PSL 信号との関係を示している。この 場合、PSL 信号は、電子線強度分布の最大値に対応する。電子の電荷の誤差は、電荷高感 度モニターによる測定誤差である。 この図から、IP の線形応答が確認された。γ 線、電子線を用いた本研究の結果より、超 微弱電子線の照射場の 2 次元線量分布が IP を用いて高い精度で評価できることがわかった。 この研究では、電子線照射における電荷量に基づく IP 内での電子と材料の相互作用の評価 を行っていない。電子線照射での照射線量率は、γ 線照射の線量率に比べて極めて高い。 今後の解析を行うことで、このような線量率効果についての知見が得られる可能性がある。 電離放射線の異なる種類、異なるエネルギーで IP の感度を比較するために、更なる実験を 準備中である。 IP の感度の評価は、TLD を使用した吸収線量との比較によって行われる。線量計として の定量については、後の実験の結果に基づいて詳細を報告する。 49 図 5-3 超微弱電子線を照射した IP の典型的な像 Output PSL signal of IP [arb.units] 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0.0 0 20 40 60 80 100 120 Electron charge [pC] 図 5-4 照射電子線の電子の電荷と、IP の出力 PSL 信号との関係 50 5.1.6 モデル試料による電子線ラジオグラフィの基礎実験 照射の為の幅広い電子線を得るために、厚さ 2 mm の Al 板を、真空窓の外側にディフュ ーザとして配置した。モデル試料は、直径 60 mm、厚さ 2 mm の円形のガラス板である。 試料を薄膜テープで IP の照射面側に固定した。Ti 真空窓と試料との間の距離は 400 mm で ある。図 5-5 は、電子線のエネルギー8 MeV、電荷量約 10 pC の電子線に対して得られた試 料の画像を示す。 図 5-5 電子線に対して得られた試料の画像 図に示すように、電子の線量は、試料の縁部で局所的に高くなる。この試料を固定する ために、接着テープを横方向に利用しているが、この端部も鮮明に確認できる。この現象 は、電子の散乱特性の挙動に起因するもので、特徴的な電子線ラジオグラフィの例を示す ものである。このラジオグラフィの詳細は後述する。 このような像は、高エネルギー電子線が十分透過できる対象に対して、局所的な電子線 強度の偏りを示している。このように本研究の結果は、高エネルギー電子の 2 次元照射線 量分布をモニタするための IP の重要性を示唆している。 51 5.1.7 結論 本研究では、電子線の 2 次元照射線量計としての IP の応答を調べた。大阪府立大学放射 線研究センターのコバルト 60 の γ 線照射施設、16 MeV の S バンド電子線ライナックを実 験に使用した。 γ 線照射実験では、IP の感度の均一性による誤差は 1%以内であることが分かった。γ 線 の照射と、IP の出力 PSL 信号との間の直線関係を得た。 超微弱電子線照射の実験において、電子線のエネルギーが 8 MeV、電荷量は 10 pC-100 pC であった。電子の電荷と IP の出力 PSL 信号との間に直線関係を得た。これらの結果は、超 微弱電子線 2 次元線量分布が IP を用いて比較的高い精度で得られることを示した。 モデル試料による電子線ラジオグラフィ像で、高エネルギー電子の散乱挙動に応じて、 試料の縁部で局所的に高くなる特徴のある像が得られた。この結果は、電子の局所照射線 量の測定に関連し、高エネルギー電子線を使用した新しいイメージング法の開発への IP の 応用の重要性を示している。 52 5.2 参考文献 74) J. Miyahara, Y. Amemiya, and T. Matsushita, Imaging Plate, J. Phys. Soc. Jpn. 45 (1990), pp. 398-404. [in Japanese] 75) R. Taniguchi, T. Kojima, and S. Okuda, Radiat. Phys. Chem. 76 (2007), pp. 1779-1782. 76) K. Tanaka, T. Yabuuchi, T. Takahasi, T. Ikeda, and S. Okuda, Rev. Sci. Instrum. 76, 013507 (2005), pp. 1-5. 77) K. Takahashi, J. luminescence 100, 1-4 (2002), pp. 307-315. 78) J. Shiraishi, D. Tatsumi, H. Huuma, A. Utsunomiya, K. Kusumi, and K. Doi, Jpn. J. Radiological Technol. 57 (2001), pp. 860-867. 53 5.3 ライナック電子線の 2 次元照射線量分布の IP による測定 5.3.1 序論 IP は、主に X 線に対して非常に高感度な 2 次元の強度分布の画像を得るために利用され る。医学分野における診断や、非破壊検査用に用いられてきた[79]。デジタル信号で得ら れた画像は、読み取り器の画像処理システムにより対象の像を識別する上で高い能力があ る。しかし 2 次元線量計への応用については、定量化が難しい。本研究では、前述の研究 結果を基に、放射線線量の定量を試み、線量計としての利用条件を明らかにすることを目 的とした。 IP の高エネルギー電子線に対する応答は、一般に β 線源を用いて行われるが、この場合 のエネルギーは広く分布しており、また方向がそろった質の良いビームではないために、 精度良い実験は行われない。加速器からの電子線を IP の応答を調べる研究に用いる試みは、 大阪大学の電子ライナックを用いて行われた[80]。さらに、IP を電子線の 2 次元照射線量 分布測定に利用するため、大阪府立大学の電子ライナックからの、エネルギー約 8 MeV の 超微弱電子線を用いて、IP の応答が調べられ、線量計としての利用可能性が明らかになっ た[81]。フェーディング特性を考慮した PSL 値の応答の知見が得られた[82,83]。この研究 では、ライナック電子線を直接 IP に照射してその照射線量分布を調べるために、超微弱電 子線を安定に発生する方法を利用した。 IP を電子線の線量分布の測定に利用するため、電子線型加速器からのエネルギー8 MeV の微弱な電子線[66]を用いて IP の応答を調べ、線量を定量して線量計としての利用可能性 を明らかにした[67, 68]。この研究では、IP で読みとる PSL の強度に比例した PSL 値を用 いた。そしてフェーディング特性を考慮した PSL 値の応答の知見を得た[68, 69]。 本研究では、これまでの研究結果を踏まえ、IP をライナック電子線の 2 次元照射線量分 布測定に応用することを目的とした。大阪府立大学の電子ライナックからの超微弱電子線 を用いて、IP のフェーディング特性を調べ、照射線量と PSL 値との対応を調べて、2 次元 照射線量分布の評価を行った。これらの結果を、IP の主な利用対象としての X 線の特性と 比較した。 54 5.3.2 電子線照射装置と照射条件 大阪府立大学 16 MeV S バンドライナックからの超微弱ライナック電子線を用いて照射 を行った。照射実験での配置を、図 5-6 に示す。 図 5-6 超微弱ライナック電子線を用いて照射をした時の配置 今回の実験では、電子線のエネルギーは 8 MeV、パルス幅は 4 μs、電荷量は、1 パルス あたり約 10 pC であった。電子線は、集束磁石を使用した厚さ 50 μm のチタン真空窓に集 束した。IP 上に広く電子線を照射するために、チタン真空窓の後ろに、厚さ 0.5 mm の Al 板を設置して電子線を拡散させた。 電子線を、IP に対して垂直に照射した。照射回数は、最大で 10 回であった。パルス繰り 返し数 は、15 Hz（ パルス間隔 66 ms）であった。電子線は、集束磁石を使用して厚さ 50 μm のチタン真空窓に集束させた。電子線の照射線量は TLD を用いて評価した。電子平衡 を考慮する必要がないため、プラスチックホルダーは使用していない。IP の読み取りは、 照射終了後 120 s 経過してから行った。照射回数を変化させて、照射線量に対する IP の応 答を調べた。実験中の温度は 15 ℃であった。 55 同じ条件で照射を行った後に、読み取りまでの時間を変化させて電子線に対するフェー ディング特性を求めた。電子線照射はあらかじめモニタしておいたビーム強度を一定の割 合で弱くして照射する。それぞれのパルスにおける線量はモニタしていない。このため加 速器の変動に伴うビーム強度の変動が予想される。実験では、照射線量の変動を保障する ために、10 パルスの電子線を入射させた後、IP の PSL 値を TLD で測定して表示される線 量の値で除して、規格化した。 5.3.3 実験結果・考察 5.3.3.1 X 線と電子線照射における TLD の応答 本研究では、X 線と電子線の照射における照射線量の評価の基準として TLD を用いた。 X 線の照射時間と測定結果として TLD に表示される線量を図 5-7 に示す。TLD の読み取り や X 線装置の安定性などから推定される誤差は 5%である。この TLD の表示値は、照射線 量に比例すると考えられる。この図から X 線の照射時間と照射線量の間に線形関係が成り 立っていることがわかる。 56 図 5-7 X 線の照射時間と TLD の表示線量との関係 電子線の照射電荷量と TLD に表示される線量の測定結果を図 5-8 に示す。電荷量は電子 線の分布がモニタできていないので、照射線量に比例する量として掲げた。線量は併用し た TLD の読取り値を元に評価する。この実験において、制動放射 X 線の影響は、電子の 照射量と比較して無視できる程度であった。 TLD の読み取りや電子線の安定性などから推定される誤差は 4.5 ％である。 57 140 TLDの表示線量 [mGy] 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 電子線の電荷 [pC] 図 5-8 電子線の電荷量と TLD に表示される線量の表示値の関係 この図から、ライナック電子線の電荷量と照射線量の間に線形関係が成り立っているこ とがわかる。前述の研究の結果では、エネルギー約 8 MeV の集束電子線に対して線形性を 確認している[82]。 58 5.3.3.2 照射線量と PSL 値の関係 この実験で得られた、X 線および電子線の照射時間、または照射電荷量と TLD の表示線 量の線形性とその関係に基づき、後者を基準として両者に対する IP の応答を比較した。 X 線および電子線照射において、TLD の表示線量と PSL 値との関係を示したものが図 5-9 である。この図で明らかなように X 線、電子線に対して TLD の表示線量との間に線形関 係が得られた。TLD の表示線量は、照射線量の評価基準として考えている。これらの傾き はそれぞれ、738、4.48 /mGy/mm2 であった。これらの関係から、得られた PSL 値に基づい て照射線量が評価できる。 10000 1000 PSL値 [/mm2] 100 10 1 0.1 0.01 0.001 0.001 0.01 0.1 1 10 100 TLDの表示線量 [mGy] 図 5-9 X 線（上の直線）および電子線（下の直線）照射において、 TLD の表示線量と PSL 値との関係 59 1000 同じ照射線量に対し、両者の PSL 値には 2 桁以上の開きがある。これは IP が X 線に対 して高い検出感度を持つことを表している。これは、IP が主として X 線への利用が目的で 開発されたことによる。X 線の場合、主なエネルギーの吸収過程は光電効果である。光電 効果では、軌道電子に光子が全てエネルギーを与えて電子が放出される。通常、電離エネ ルギー以上のエネルギーを与えないと電子は放出されないが、比較的低いエネルギーの光 子が電子の励起に寄与したと考えられる。 これに対して、電子では、電子的阻止の過程で主として 2 次電子の発生にエネルギーが 失われ、さらに電離と原子核による散乱でエネルギーを失う。この過程の励起効率の差が このような結果につながったと推定される。 前述の γ 線の結果を比較すると、ほぼ電子の結果と一致する。ただし約 20%ほど PSL 値 の計測結果が大きい。ほぼ一致するのは、両者のエネルギー付与の過程が、基本的に電子 によるものであることによると考えられる。ただし両者の差については、原因は不明であ る。入射電子のエネルギーの差が表れているのかもしれない。 5.3.3.3 IP のフェーディング特性の測定結果 IP を線量計として用いるためには、放射線照射後のフェーディングについて調べること が重要である。あらかじめ測定したデータに基づいて補正ができれば、種々の条件での測 定が可能になる。 IP は、時間の経過に依存するフェーディング特性を持つ。本研究では、この特性を知る ために、校正された γ 線照射場を用いて、照射終了から読み取りまでの時間を変えてその 影響を調べた。そして、フェーディングの影響を受けないようにするのに必要な最適な時 間を求めて、IP を読み取った。このような γ 線照射場に対する IP の応答を基にして、電子 線に対する IP の応答を評価した。 X 線と電子線の照射終了から読み取りまでの時間を変えてその影響を調べた。この場合 両者とも照射直後を基準とすることができないため、照射後から測定までの経過時間 120 s におけるデータを基準として規格化した。実験中の温度は 15 ℃であった。実験環境の温 度 10 ℃の時は 5 %の減少、25 ℃の時は 10 %の増加となった。実際に線量計として利用す るためには、測定環境を考慮して、あらかじめフェーディング特性を調べておく必要があ る。 60 温度 15℃におけるフェーディングの、照射後 60 分および 10000 分までの測定結果を、 それぞれ図 5-10、図 5-11 に示す。これらの図から明らかなように、照射直後の PSL 値の減 衰が大きく、その後徐々に減衰が緩やかになる。このことから、実験時には、読み取り時 間を記録しフェーディングを考慮した補正をする必要がある。図から明らかなように、照 射後の時間の経過と共に減衰の割合も小さくなる。 図 5-10 の曲線は特徴的な減衰の仕方を表し、X 線と電子線では良く似た傾向を示してい る。前述の γ 線に対する結果は特に電子線の結果と傾向が一致する。これは、IP が持つ複 数の電子の励起準位に対応すると考えられるが、X 線に対する挙動は少し異なっているこ とがわかる。一方両曲線には 5%程度の差異が認められる。照射後ほぼ同一時間で規格化し ているが、それぞれの準位に励起された電子の割合が X 線と電子線で異なるため、このよ うな差異を生じたと考えられる。 照射線量とフェーディング特性の関係は調べていないが、線量と PSL の線形性が成り立 つ線量域では、傾向に変化はないと考えられる。 61 1 0.98 Normalized PSL value 0.96 0.94 0.92 0.9 x Fading e Fading 0.88 0.86 0 10 20 30 40 50 60 照射後経過時間 [min] 図 5-10 照射後経過時間と規格化された PSL 値との関係（短時間） これらのフェーディング特性をあらかじめ調べておくことにより、照射後の測定までの 時間に影響されずに、測定された PSL 値から照射線量を評価することができ、この結果か ら、IP を比較的高いエネルギーの電子に対する 2 次元線量計として用いることができると 考えられる。 62 1 0.95 Normalized PSL value 0.9 0.85 0.8 0.75 x Fading 0.7 e Fading 0.65 0.6 0.55 0.5 0 2000 4000 6000 8000 10000 照射後経過時間 [min] 図 5-11 照射後経過時間と規格化された PSL 値との関係（長時間） 63 5.3.4 結言 大阪府立大学放射線研究センターの 16 MeV の S バンド電子線ライナックを使用し、エ ネルギー約 8 MeV の電子線に対する 2 次元照射線量計としての IP の利用可能性を調べた。 照射線量は TLD を用いた測定結果から評価された。IP の PSL 値と電子の照射線量の間に 線形関係が得られた。この線形性は、管電圧 60 kV の X 線に対しても得られ、両者の結果 が比較された。X 線では、TLD で評価された同じ照射線量に対して、電子線より 2 桁以上 高い感度が示された。 IP のフェーディング特性の結果から、照射後測定までの時間を考慮することにより、高 エネルギー電子線の 2 次元照射線量分布が IP を用いて比較的高い精度で得られることが明 らかになった。 64 5.4 参考文献 79) J. Miyahara, Y. Amemiya, and T. Matsushita, Imaging Plate, J. Phys. Soc. Jpn. 45 (1990), pp. 398-404. [in Japanese] 80) K. Tanaka, T. Yabuuchi, T. Takahashi, T. Ikeda, and S. Okuda, Rev. Sci. Instrum. 76, 013507 (2005), pp. 1-5. 81) R. Taniguchi, T. Kojima, and S. Okuda, Radiat. Phys. Chem. 76 (2007), pp. 1779-1782. 82) H. Shimomura, R. Taniguchi, S. Okuda, H. Miyamaru, H. Matsuura and T. Kojima, Progress in Nucl. Sci. Technol. 4 (2014) pp. 721-724. 83) H. Miyamaru, I. Murata, R. Taniguchi, H. Shimomura and S. Okuda, Progress in Nucl. Sci. Technol. 4 (2014) pp. 699-703. 84) FUJI:BAS Technical Information No.1. 85) K. Takahashi, J. luminescence 100, 1-4 (2002), pp. 307-315. 86) J. Shiraishi, D. Tatsumi, H. Huuma, A. Utsunomiya, K. Kusumi, and K. Doi, Jpn. J. Radiological Technol. 57 (2001), pp. 860-867. 65 6章 超微弱電子線ラジオグラフィ ６.1 はじめに IP は高感度かつ高性能な画像検出器であるが、通常のライナックの電子ビームでは強 すぎて利用できない。大阪府立大学では、通常のライナックの電子ビームより 10 桁程弱 いビームを取り出すことに成功している。超微弱電子線のパルス当たりの最小電荷量は fC の領域で、この照射場の 2 次元線量分布を、IP を用いて計測し、その特性も調べた[87, 88]。 このビームを用いて電子線ラジオグラフィを IP で撮像することに成功した。この手法は 通常のラジオグラフィ像とは異なり、散乱体の有無による濃淡画像が得られる。不連続部 分の濃淡差が大で、欠陥検出性能に優れる。 加速器の真空窓などから発生した制動 X 線を計測して照射場を高精度に評価した。この 照射場において、IP に撮像する電子線ラジオグラフィとその応用のための基礎データを取 得した。 6.2 超微弱ライナック電子線照射場の線量分布測定 電子線のパルス幅は、50 ns-5 μs である。1 パルス当りの電子の電荷量は fC/pulse 以下に 減少させることができる。本実験では、ビームエネルギーを 8 MeV、パルス幅を 4 μs とし た。 電荷量 nC/pulse 程度まで微弱化したビームをシンチレーター(ZnCdS)と CCD カメラで観 測しながら Q レンズを用いてビームを集束させた。事前に透過効率を求めたスリットで入 射ビームを約 10 pC/pulse に弱めた。 66 x 図 6-1 電子線の強度分布 電子線の強度は、あらかじめ特性を測定した放射線線量計で測定した。電子線取出窓の チタン箔から 25 mm の位置で IP に垂直に照射した。得られた線量分布を図 6-1 に示す。こ こで強度は、濃淡で示した。 6.3 制動 X 線強度の評価 計測時のノイズとなる制動 X 線の強度を評価するために、ライナックビーム輸送系の 先端の窓の部分に厚さ 5 mm の鉛板を取り付けた。この鉛によって電子線が遮られ、制 動 X 線が生じる。 電子ビームの照射条件は、ビームエネルギー 8 MeV、パルス幅を 4 μs とした。1 パルス あたりの電荷量を約 10 pC/pulse とした。電子線取出窓のチタン箔から 150 mm の位置で、 連続に IP に垂直に照射パルスの回数を変えて照射した。最大 15 パルスの照射を行ったが、 IP には読取可能な信号が記録されなかった。 この結果より、ノイズとなる X 線の線量は電子線の信号に比べて無視できると考えら れる。電子と物質の相互作用は比較的に大きく、また X 線は、1 次電子から 2 次的に発生 するものであるためこのような結果になったと考えられる。 67 6.4 電子線ラジオグラフィの原理と像の特徴 電子ビームは、電子の飛程付近で急激に減衰する特徴がある。その結果、試料の厚さと エネルギーに敏感で高いコンラストを持った電子線ラジオグラフィの像を撮像すること が可能になる。 電子線ラジオグラフィで撮像された画像には次のような特徴がある。散乱挙動について は、試料の縁の部分に最も大きいコントラストが発生する。 内部損傷がある場合、電子 ビームが損傷によって、僅かに 曲げられ散乱が発生する。その結果、損傷を発見する事 ができる。 6.5 電子線ラジオグラフィの結果 電子線ラジオグラフィの特性を調べるために、電子線取出窓の出口に厚さ 2 mm のアル ミニウム板を取り付けて電子線を拡散させた。その結果、照射領域が広げられる。IP の照 射面上に試料を固定して垂直に照射した。図 6-2 に測定結果を示す。 図 6-2 電子線ラジオグラフィの測定結果 68 左側の試料は、シャープペンシル、右側は直径 60 mm、厚さ 2 mm のガラス板である。 図より、縁の部分が明確なガラス板の方がよりはっきりと縁の部分にコントラストを生じ ていることがわかる。 次に、材質を変えて円形の形状の物体を対象物として電子線ラジオグラフィを測定した 結果を図 6-3 に示す。 図 6-3 電子線ラジオグラフィの測定結果 図に見られるように、各試料共、縁の部分に最も大きいコントラストが生じている。 これは、電子線が縁で散乱し、重なって強め合う散乱挙動による結果である。 また、試料の種類や厚さの違いによって、電子線の透過率に差ができた効果とも 重ね合わせて結果に反映している。 これらの実験によって、IP を用いた電子線ラジオグラフィの基礎データが得られた。 69 6.6 まとめと今後の課題 本研究の結果、超微弱電子線線量分布を IP で評価すること、電子線ラジオグラフィへ の応用の基礎が確立された。 この照射場の利用分野として、高感度線量計の特性研究等を実施、計画している。 また、γ 線や X 線を用いたラジオグラフィと電子線ラジオグラフィの結果を比較、 検討する研究を継続する予定である。今後さらに電子線の安定な微弱化とその高度 利用を進める[89]。 6.1 参考文献 87) R. Taniguchi et al., Radiat. Phys. Chem. 76 (2007) 1779 88) R. Taniguchi et al., Radiat. Measurements 43 (2008) 981 89) 奥田修一、高齢の加速器が生み出す超微弱電子ビーム・百舌鳥の知恵、 “産学官連携活動の実際”大阪府立大学編、中央経済社（2008） 70 7章 7.1 結言 研究結果まとめ γ 線照射場 大阪府立大学放射線研究センターのコバルト 60γ 線照射施設を使用し、2 次元照射線量 計としての IP の利用可能性を調べた。この結果 IP の PSL 値と γ 線の照射線量の間に線形 関係が得られた。 IP のフェーディング特性の結果から、照射後測定までの時間を考慮することにより、γ 線の 2 次元照射線量分布が IP を用いて比較的高い精度で得られることが明らかになった。 これらの結果は、既に明らかにされている X 線や高エネルギー電子線の結果と比較され た。 また照射試料内部の局所的な照射線量分布の測定に利用する方法が、模擬的な試料に適 用された。この結果、電子線の照射に特有の試料内の非均質に基づく非均一照射の可能性 が明らかになった。 71 7.2 超微弱電子線照射場 本研究では、電子線の 2 次元照射線量計としての IP の応答を調べた。 大阪府立大学放射線研究センターの 16 MeV の S バンド電子線ライナックを実験に使用し た。 X 線の照射と、IP の PSL 値との間の直線関係を得た。X 線の照射時の IP のフェーディ ング特性を得た。 超微弱電子線照射の実験において、電子線のエネルギーが 8 MeV、電荷量は 10 pC-100 pC であった。 電子の照射線量と IP の PSL 値との間に直線関係を得た。電子線の照射時の IP のフェー ディング特性を得た。 これらの結果は、超微弱電子線 2 次元線量分布が IP を用いてフェーディングを補正して 比較的高い精度で得られることを示した。 72 7.3 超微弱電子線ラジオグラフィ 電子線ラジオグラフィは、新たに開発された手法である。 ライナックによる超微弱放射線照射場が確立されて初めて可能となった手法である。 電子線ラジオグラフィの像の特徴は図 6-2、6-3 に、明確に表れている。吸収線量による特 徴は、試料が厚みをもつ場合に得られる。 電子線は、空気中での直進性と、拡散させても平行性を保つ性質がある。 この特性と、表面や表面近くの僅かな傷に対して敏感に散乱挙動を示す特性から、 傷を探すことを目的とした非破壊検査線種に適していると考えられる。 73 謝辞 本研究を進めるにあたり、指導教員として研究者としての心得、論文の書き方等多くの 御指導を賜り、学会に参加する機会を与えてくださいました奥田修一教授に深く感謝致し ます。 ライナックの運転、様々な実験方法の御指導を賜り、研究会に参加する機会を与えてく ださいました谷口良一教授に深く感謝致します。 日々の研究活動において、多くの御指導、御助言、御協力を賜りました小嶋崇夫助教に 深く感謝致します。 非破壊検査用 γ 線源を用いた実験で御指導、御協力を賜り国際学会参加を勧めてくださ いました宮丸広幸准教授に深く感謝致します。 発表プレゼンテーションの構成について御指導、御助言、御協力を賜りました松浦寛人 准教授に深く感謝致します。 γ 線照射実験で照射を担当してくださいました森秀信氏に深く感謝致します。 日々の研究活動において、事務関係の御協力を頂きました伊東博美氏に心から感謝致し ます。 研究科事務として様々な事務手続きに御協力を頂きました岡山智恵子氏に心から感謝致 します。 三年間、共に研究生活を過ごした Mr. Santi KONGMANY に心から感謝致します。 共に研究生活を過ごした研究室の諸氏一同に心から感謝致します。 研究生活を支えてくれた父、母、妻に心から感謝致します。 平成 27 年 1 月 下邨 広元 74