(57)【要約】【課題】アルファ線を高率で検出することができるアルファ線検出装置を提供する。【解決手段】アルファ線検出装置４００には、１つの面が被検出物である線源４２１を支持する支持体に位置する開口面となった多面体を構成する複数の固体検出器４１１〜４１５が設けられており、多面体は被検出物４２１を覆う。アルファ線検出装置４００に関しては、多面体の形状は六面体の錐台である。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの面が被検出物を支持する支持体に位置する開口面となった多面体を構成する複数の固体検出器を有し、
前記多面体は前記被検出物を覆うことを特徴とするアルファ線検出装置。
【請求項２】
前記多面体の形状は、前記開口面に設置される線源から出射されたアルファ線が前記複数の固体検出器のいずれかに５９．４度以下の入射角度で到達する形状であることを特徴とする請求項１に記載のアルファ線検出装置。
【請求項３】
前記多面体の各頂点によって近似された第１の球の中心、及び前記多面体の各面の重心によって近似された第２の球の中心が、前記多面体の重心からみて前記開口面の外側に位置し、
前記第１の球の半径が前記第２の球の半径の２．５倍以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアルファ線検出装置。
【請求項４】
前記多面体は前記開口面を、下底面及び上底面のうちで面積が大きい方とする錐台であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアルファ線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アルファ線検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
低線量のアルファ線を検出する方法として真空アルファトラッキング法が提案されている（非特許文献１）。真空アルファトラッキング法では、アルファ線の線源を、アルファ線が照射されると分子レベルの傷が付くプラスチック板（固体検出器）に直接に密着させ、アルファ線を固体検出器に照射する。固体検出器はトラック板とよばれることもある。そして、所定時間の経過後に固体検出器を線源から外し、アルファ線が照射された面をエッチングする。このエッチングにより、アルファ線が照射されて形成されたピットが顕微鏡で検出可能な大きさに拡大される。その後、ピットの数をカウントすることで、アルファ線を検出することができる。このような真空アルファトラッキング法は、アルファ線検出器による直接的な計測に比べ、極めて検出限界の高い方法として知られている。
【０００３】
しかしながら、上記の真空アルファトラッキング法では、長時間の曝露を行わなければ低線量のアルファ線を十分に検出することができない。例えば、従来の真空アルファトラッキング法における検出率は０．５程度である。つまり、線源が発したアルファ線のおよそ半量しか固体検出器で検出されていないのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２４１６６４号公報
【特許文献２】特開２００９−８５６５９号公報
【特許文献３】特開２００１−２８１３３７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】R. Takasu、 Fujitsu、 61 (2010) 37
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、アルファ線を高検出率で検出することができるアルファ線検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
アルファ線検出装置の一態様には、１つの面が被検出物を支持する支持体に位置する開口面となった多面体を構成する複数の固体検出器が設けられており、前記多面体は前記被検出物を覆う。
【発明の効果】
【０００８】
上記のアルファ線検出装置等によれば、適切な形状を備えているため、高検出率でアルファ線を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】固体検出器及び線源間の距離とピットのカウント数及びアルファ線の濃度との関係を示す図である。
【図２】モンテカルロシミュレーションの概略を示す図である。
【図３】入射角度の閾値とアルファ線の濃度との関係を示す図である。
【図４】ピットのカウント数及びアルファ線の濃度に関する実験結果とシミュレーション結果とを示す図である。
【図５】モンテカルロシミュレーションの結果を示す図である。
【図６】アルファ線検出装置の構造を示す図である。
【図７】観察されたピットの形状を示す模式図である。
【図８】アルファ線検出装置の立体形状と第１、第２の球との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本願発明者らは、従来の真空アルファトラッキング法において長時間の曝露を行わなければ低線量のアルファ線を十分に検出できない原因を究明すべく鋭意検討を行った。この結果、線源と固体検出器とを密着した場合、アルファ線が浅い入射角度で入射して形成された固体検出器の傷はエッチングの過程で消失し、顕微鏡で検出できていないことが判明した。入射角度とは、固体検出器のアルファ線が入射してくる表面の法線とアルファ線の入射方向とのなす角の角度である。浅い角度というのは、この入射角度が９０度に近い角度である。また、一定距離以上離した場合には、線源から浅い角度で出射されたアルファ線は固体検出器から逸れ、固体検出器に入射したアルファ線のほとんどが検出可能な傷を形成する方向からのものであったためである。
【００１１】
即ち、線源と固体検出器とを一定距離以上離間させただけでは、この固体検出器から逸れたアルファ線を検出することができない。そこで、本願発明者らは、線源の直上に位置する固体検出器の他に、この固体検出器から逸れたアルファ線を側方で検出することができる固体検出器も設けることにより、極めて高い検出率でアルファ線を検出することができることに想到した。
【００１２】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１３】
先ず、真空アルファトラック法における検出率の起源を調べるため、いくつかの実験を行った結果について説明する。この実験では、アルファ線の核種である241Ａｍを直径が１．５３ｃｍの金属円板に蒸着した標準線源を用いた。そして、固体検出器（トラック板）と標準線源との距離を０ｃｍ、０．６ｃｍ、１．２５ｃｍ、２．５ｃｍ、３．７５ｃｍ、５ｃｍと変えた照射実験を条件毎に５回行い、標準線源と同じ直径の範囲内でアルファ線由来のピットの数をカウントした。この結果を図１に示す。図１（ａ）の横軸は固体検出器と標準線源との距離を示し、縦軸はピットのカウント数を示す。Ａｍ線源については正確な線量が測定されており、その線量は１７４９（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）である。
【００１４】
図１（ａ）に示すように、ピットのカウント数は指数関数的に減衰していた。縦軸のカウント数を単位時間、立体角あたりの粒子数に換算すると、図１（ｂ）に示す結果が得られる。図１（ｂ）の横軸は固体検出器と標準線源との距離を示し、縦軸は単位時間、半球立体角（２πｓｒ）あたりの粒子数、つまりアルファ線の濃度を示す。一般的に、線源が有限であり、かつ固体検出器から離間されている場合、立体角の算定には下記の式が用いられる。
【００１５】
【数１】
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【００１６】
ここで、ａは固体検出器の半径、ｓは標準線源の半径、ｄは固体検出器と標準線源との距離である。標準線源及び固体検出器の半径は分かっており、図１（ｂ）には、標準線源及び固体検出器の平面形状がいずれも真円であると仮定し、算出された立体角を用いて２πｓｒあたり１秒間のアルファ粒子数を示してある。
【００１７】
標準線源と固体検出器とが接している場合、つまり距離ｄが０ｃｍの場合、その立体角は２πｓｒになるため、１秒間検出されたピットのカウント数は直接「αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ」の単位で表される。図１（ａ）に示すように、そのカウント数は約８７０であった。この値は１７４９（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）の約１／２であり、このことから、検出率が約０．５という既出の値とほぼ等しいことが確認された。
【００１８】
その一方で、標準線源と固体検出器との距離を大きくすると、単位立体角あたりのアルファ線量が上昇し、１６５０（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）程度で値が収束することが確認された。この値から算出された検出率はほぼ１であり、定量測定に誤差を引き起こす不確定要素が取り除ける可能性を示唆している。そこで、この現象がどのような物理現象から引き起こされるのかを確認するため、モンテカルロシミュレーションを実行した。
【００１９】
使用したモンテカルロシミュレーションは白色ノイズを用いた極めて簡単な計算である。具体的には、白色ノイズを発生させ、直径が１．５３ｃｍの線源を仮定した範囲内にアルファ線の発生源をランダムに配置した。このとき、線量は既知であることを用いて、２０秒間に出射される１７４９×２０個のアルファ線の発生個所を想定した。次に、各位置からアルファ線がランダムな方向をもって出射されることを仮定し、半径が５ｃｍの半球面に一様に照射方向が生じるよう白色ノイズによって各アルファ線の照射方向を設定した。ここで、半径が５ｃｍの半球としたのは、空気層の遮蔽効果によって、アルファ線が５ｃｍ程度しか飛程しないためである。このように発生されたアルファ線が線源と同軸上に存在する同じ直径の範囲内に到達する数をカウントした。この計算の概略を図２に示す。ここで、固体検出器１１１と線源１２１との距離が０ｃｍの場合、計算上は全てのアルファ線が検出されるため、検出濃度は１７４９（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）となる。しかし、これでは検出率が１．０となり、実験結果（約０．５）と合致しない。
【００２０】
そこで、本願発明者らは、特定の角度（閾値角度θt）を超える入射角度θ（図３（ａ））で固体検出器１１１に入射したアルファ線はカウントできなかったと仮定した。そして、固体検出器１１１と線源１２１とを密着させた場合に、閾値とした入射角度θtより浅い角度で入射したアルファ線は検出できなかったと仮定したときのアルファ線のカウント数を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）の横軸は入射角度の閾値を示し、右側の縦軸は検出されたアルファ線のカウント数とアルファ全体線数の比（検出率）、左側の縦軸はそれを換算したアルファ線の濃度を示す。図３（ｂ）に示す結果から、固体検出器１１１の表面に垂直なベクトルとアルファ線の入射ベクトルとのなす角度が５９．４度以下の角度で入射したアルファ線のみ固体検出器１１１で検出できたとすると、０．５の検出率が得られることが判明した。
【００２１】
そこで、５９．４度以下の入射角度で入射したアルファ線のみをカウントしたところ、図４に示す結果が得られた。図４（ａ）の横軸は固体検出器と線源との距離を示し、縦軸はカウント数を示す。図４（ｂ）の横軸は固体検出器と線源との距離を示し、縦軸はアルファ線の濃度を示す。図４（ａ）に示すように、距離が大きくなると、カウント数が指数関数的に減少した。また、これをアルファ線の濃度に換算したところ、図４（ｂ）に示すように、１７４９（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）に近づいた。このことは、検出率が１に近づいたことを示している。つまり、実験結果とほぼ一致する傾向が得られた。このことより、従来の真空アルファトラック法において高い検出率が得られないという問題点は、固体検出器に浅い角度で入射してきたアルファ線を検出できていないことに起因していることが判明した。
【００２２】
図５に、９個のアルファ線が線源からランダムに出射される場合を想定したモンテカルロシミュレーションの結果を示す。線源２２１の内部のランダムな位置から５ｃｍの飛程でアルファ線がランダムな方向に飛ぶとする。矢印を付した線分で放射されたアルファ線を表示している。もし、固体検出器２１１が線源２２１と同じ形状を有しており、固体検出器２１１と線源２２１との距離が２ｃｍであったとすると、線源２２１から出射されたアルファ線のほとんどは固体検出器２１１に到達せず、９個中１個のアルファ線のみが固体検出器２１１に到達していることがわかる。このことは、９個中８個のアルファ線はこの固体検出器２１１で検出できないものの、他の固体検出器で検出すれば実効検出率が上昇する可能性があることを示している。
【００２３】
そこで、本願発明者らは、図６（ａ）に示す箱型のアルファ線検出装置の有効性について検討した。このアルファ線検出装置３００には、１つの面が開口面となった六面体を構成する５個の固体検出器３１１、３１２、３１３、３１４、及び３１５が含まれている。固体検出器３１１が開口面と平行に設けられ、残りの固体検出器３１２〜３１５が開口面と垂直に設けられる。そして、アルファ線検出装置３００は線源３２１が開口面に位置するように設置される。つまり、開口面は線源３２１を支持する支持体に位置する。線源３２１は被検出物の一例である。また、固体検出器３１１と開口面との距離及び固体検出器３１１のサイズは、開口面に位置する線源３２１から出射されたアルファ線のうちで固体検出器３１１に入射するものの入射角度が５９．４度以下となるように設定されている。
【００２４】
このアルファ線検出装置３００によれば、固体検出器３１１から逸れたアルファ線は固体検出器３１２〜３１５に入射するため、固体検出器３１１のみを用いた場合よりも高い検出率での検出が可能である。しかし、固体検出器３１１〜３１５の総面積は、従来の真空アルファトラック法で用いる固体検出器の面積と比較すると大きい。固体検出器の面積が小さいほどコストを低減することができる。
【００２５】
そこで、本願発明者らは、高い検出率を得ながら総面積を低く抑えることができる形状を特定すべく、モンテカルロシミュレーションによって実際の検出率を算出した。このモンテカルロシミュレーションでは、入力パラメータを固体検出器の形状とし、目的関数を実効検出率及び固体検出器の総面積とした。また、固体検出器の形状が複雑になるほど、エッチング及び顕微鏡観察等のピットのカウントの作業が増えることを考慮し、アルファ線検出装置に含まれる固体検出器の数は最大でも５であるとの条件も用いた。
【００２６】
そして、実効検出率がより高く、総面積がより小さくなる形状を求めるべく演算を行った結果、図６（ｂ）に示すような錐台が好ましい立体形状の一つであることが判明した。この実施形態に係る錐台状のアルファ線検出装置４００には、１つの面が開口面となった六面体を構成する５個の固体検出器４１１、４１２、４１３、４１４、及び４１５が含まれている。固体検出器４１１が開口面と平行に設けられ、残りの固体検出器４１２〜４１５が開口面と傾斜するように設けられる。そして、アルファ線検出装置４００は線源４２１が開口面に位置するように設置される。つまり、開口面は線源４２１を支持する支持体に位置する。線源４２１は被検出物の一例である。また、固体検出器４１１と開口面との距離及び固体検出器４１１のサイズは、開口面に位置する線源４２１から出射されたアルファ線のうちで固体検出器４１１に入射するものの入射角度が５９．４度以下となるように設定されている。更に、固体検出器４１２〜４１５の形状、サイズ、及び傾斜角度も、線源４２１から出射されたアルファ線のうちで固体検出器４１２〜４１５に入射するものの入射角度が５９．４度以下となるように設定されている。
【００２７】
次に、本願発明者らが実際に図６（ｂ）に示すアルファ線検出装置４００について実際に行った実験について説明する。この実験では、錐台の下底面に該当する開口面の形状を一辺の長さが３．２ｃｍの正方形とし、錐台の上底面に該当する固体検出器４１１の平面形状を一辺の長さが１．８ｃｍの正方形とし、錐台の高さ、すなわち下底面と上底面との間隔を１．２ｃｍとした。また、固体検出器４１２〜４１５の平面形状は、互いに合同な台形とした。
【００２８】
そして、錐台の下底面（開口面）に241Ａｍの線源を設置し、２０秒経過した後にアルファ線検出装置４００を展開し、固体検出器４１１及び固体検出器４１２に形成されたピットを数え上げた。固体検出器４１３〜４１５に形成されたピットの数は、固体検出器４１２に形成されたピットの数と等しいとみなすことができる。この実験の結果、測定されたピットの数は３５１７１個であった。一方、241Ａｍの線源からは１７４９（αｓ-1  ｉｎ  ２πｓｒ）でアルファ線が出射されるので、２０秒間では約３４９８０個のアルファ線が出射されている。従って、この実験結果は、線源から出射されたアルファ線のほぼ全体を検出できたことを意味する。
【００２９】
アルファ線を曝露した固体検出器４１１をエッチングして観察されたピットの模式図を図７（ａ）に示す。また、比較のために、線源と密着した状態でアルファ線を曝露した固体検出器をエッチングして観察されたピットの模式図を図７（ｂ）に示す。図７（ａ）に示すピットの形状はいずれも真円に近いものであるのに対して、図７（ｂ）に示すピットの形状は、多くのもので楕円状である。このことは、固体検出器を線源から離して設置することによって、固体検出器に入射するアルファ線の入射角度が０度に近くなっていることを示している。
【００３０】
上記のアルファ線検出装置３００及び４００はいずれも実施形態の一つであり、検出率を約１とすることが可能な立体形状はアルファ線検出装置３００の立体形状の他にも存在する。例えば、固体検出器の各々を、アルファ線の入射角度が５９．４度以下になるように配置することができれば、つまり、多面体の形状が、開口面に設置される線源から出射されたアルファ線が固体検出器のいずれかに５９．４度以下の入射角度で到達する形状であれば、六面体以外の多面体を採用しても高い検出率を得ることができる。そして、多面体の形状が半球に近づくほど検出率が高くなるので、多面体の形状は、コスト等の観点からアルファ線検出装置に用いられる固体検出器の数が決まっている場合、その数に応じて最も半球に近くなる形状とすることが好ましい。
【００３１】
従って、アルファ線検出装置は、例えば、次のようにして設計することができる。先ず、アルファ線検出装置に用いる固体検出器の数を決定する。次いで、固体検出器の数に１を加えた複数の面で構成される複数種類の多面体のうちで最も半球に近似される半球近似多面体を特定する。その後、半球近似多面体に含まれる複数の面のうちで、半球の球の切断面に相当する面を除くすべての面を、固体検出器が設けられる面であると決定する。このとき、半球近似多面体をモンテカルロシミュレーションにより特定することが好ましく、検出対象であるアルファ線の線源のサイズに応じて半球近似多面体のサイズを決定することが好ましい。
【００３２】
また、多面体の各頂点によって近似された第１の球の中心、及び多面体の各面の重心によって近似された第２の球の中心が、多面体の重心からみて開口面の外側に位置し、かつ、第１の球の半径が第２の球の半径の２．５倍以下である場合にも、半球に近い多面体が得られる。つまり、この場合にも、特に良好な検出率を得ることができる。例えば、図８に示す４種類の実施形態の検出率を比較すると次のようになる。
【００３３】
図８（ａ）に示すアルファ線検出装置の立体形状は直方体であり、第１の球５１１の中心及び第２の球５１２の中心が直方体の内側に位置する。この例における検出率は約０．２６８である。図８（ｂ）に示すアルファ線検出装置の立体形状は、図８（ａ）に示すものよりも最長辺の長さと最短辺の長さとの比が大きい直方体であり、第１の球５２１の中心及び第２の球５２２の中心が直方体の内側に位置する。この例における検出率は約０．４２８である。図８（ｃ）に示すアルファ線検出装置の立体形状は錐台であり、第１の球５３１の中心及び第２の球５３２の中心が錐台の重心からみて下底面の外側に位置する。また、下底面の形状が一辺の長さが３．６ｃｍの正方形、上底面の形状が一辺の長さが１．８ｃｍの正方形、高さが０．５ｃｍである。この場合、第１の球５３１の半径は第２の球５３２の半径の２．５４倍であり、このアルファ線検出装置の検出率は約０．８５０である。図８（ｄ）に示すアルファ線検出装置の立体形状は錐台であり、第１の球５４１の中心及び第２の球５４２の中心が錐台の重心からみて下底面の外側に位置する。また、下底面の形状が一辺の長さが１．８ｃｍの正方形、上底面の形状が一辺の長さが１．０ｃｍの正方形、高さが１．０ｃｍである。この場合、第１の球５４１の半径は第２の球５４２の半径の１．６０４倍であり、このアルファ線検出装置の検出率は約０．９９８である。
【００３４】
従って、錐台の下底面及び上底面のうちで面積が大きい方をアルファ線検出装置の開口面とすれば、六面体の各頂点によって近似された第１の球の中心、及び多面体の各面の重心によって近似された第２の球の中心が、六面体の重心からみて開口面の外側に位置し、かつ、第１の球の半径が第２の球の半径の２．５倍以下である場合に、特に良好な検出率を得ることができるといえる。なお、各球の中心が開口面以外の面の外側に位置する場合には、開口面の外側に位置する場合ほどの高い検出率を得ることができない。これは、例えば図８（ａ）又は（ｂ）に示す錐台では、開口面が上底面又は側面にある場合、アルファ線の入射角度が５９．４度以下とならない固体検出器が存在することになるからである。六面体以外の多面体についてもこれらと同様の関係が成り立つ。
【００３５】
以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。
【００３６】
（付記１）
１つの面が被検出物を支持する支持体に位置する開口面となった多面体を構成する複数の固体検出器を有し、
前記多面体は被検出物を覆うことを特徴とするアルファ線検出装置。
【００３７】
（付記２）
前記多面体の形状は、前記開口面に設置される線源から出射されたアルファ線が前記複数の固体検出器のいずれかに５９．４度以下の入射角度で到達する形状であることを特徴とする付記１に記載のアルファ線検出装置。
【００３８】
（付記３）
前記多面体の各頂点によって近似された第１の球の中心、及び前記多面体の各面の重心によって近似された第２の球の中心が、前記多面体の重心からみて前記開口面の外側に位置し、
前記第１の球の半径が前記第２の球の半径の２．５倍以下であることを特徴とする付記１又は２に記載のアルファ線検出装置。
【００３９】
（付記４）
前記多面体は前記開口面を、下底面及び上底面のうちで面積が大きい方とする錐台であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のアルファ線検出装置。
（付記５）
固体検出器の数を決定する工程と、
前記数に１を加えた複数の面で構成される複数種類の多面体のうちで最も半球に近似される半球近似多面体を特定する工程と、
前記半球近似多面体に含まれる複数の面のうちで、前記半球の球の切断面に相当する面を除くすべての面を、固体検出器が設けられる面であると決定する工程と、
を有することを特徴とするアルファ線検出装置の設計方法。
【００４０】
（付記６）
前記半球近似多面体をモンテカルロシミュレーションにより特定することを特徴とする付記５に記載のアルファ線検出装置の設計方法。
【００４１】
（付記７）
検出対象であるアルファ線の線源のサイズに応じて前記半球近似多面体のサイズを決定する工程を有することを特徴とする付記５又は６に記載のアルファ線検出装置の設計方法。
【符号の説明】
【００４２】
４００：アルファ線検出装置
４１１〜４１５：固体検出器
５１１、５２１、５３１、５４１：第１の球
５１２、５２２、５３２、５４２：第２の球
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015141181.tif 000006
【図４】
2015141181.tif 000007
【図５】
2015141181.tif 000008
【図６】
2015141181.tif 000009
【図７】
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【図８】
2015141181.tif 000011