(57)【要約】【課題】単純な構成でエネルギー分解能を持ったガンマ線カメラを実現する。【解決手段】実施形態によるガンマ線カメラ１０は、ガンマ線源１より入射する入射ガンマ線を屈折させ境界エネルギーより高いエネルギーの高エネルギーガンマ線４と高エネルギーガンマ線４と逆方向に屈折する境界エネルギーより低いエネルギーの低エネルギーガンマ線３とに区分するガンマ線分光部１５と、高エネルギーガンマ線４および低エネルギーガンマ線３を分離して検出可能なガンマ線検出部１１ａと、ガンマ線分光部１５とガンマ線検出部１１ａの間にあってガンマ線分光部１５を透過した高エネルギーガンマ線４または低エネルギーガンマ線３をそれぞれガンマ線検出部１１ａの設置範囲内の異なる位置に集光させるガンマ線集光部１８とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガンマ線源の空間的分布を測定し画像化するガンマ線カメラにおいて、
前記ガンマ線源より入射する入射ガンマ線を屈折させ、境界エネルギーより高いエネルギーを有する高エネルギーガンマ線と、前記高エネルギーガンマ線と逆方向に屈折する前記境界エネルギーより低いエネルギーを有する低エネルギーガンマ線とに区分するガンマ線分光部と、
前記高エネルギーガンマ線および前記低エネルギーガンマ線をガンマ線検出位置の違いによって分離して検出可能なガンマ線検出部と、
前記ガンマ線分光部と前記ガンマ線検出部の間にあって、前記ガンマ線分光部を透過した前記高エネルギーガンマ線または前記低エネルギーガンマ線をそれぞれ、前記ガンマ線検出部の設置範囲内の異なる位置に集光させるガンマ線集光部と、
を備える、
ことを特徴とするガンマ線カメラ。
【請求項２】
前記ガンマ線検出部は、前記設置範囲内に設けられた２次元感応型のガンマ線検出器であることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線カメラ。
【請求項３】
前記ガンマ線検出部は、前記設置範囲内を移動可能なガンマ線検出器であることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線カメラ。
【請求項４】
前記ガンマ線分光部は、角柱プリズムであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のガンマ線カメラ。
【請求項５】
前記角柱プリズムはフレネル構造であることを特徴とする請求項４に記載のガンマ線カメラ。
【請求項６】
前記ガンマ線集光部は２つのガンマ線集中通過開口を有する開口形成部材であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガンマ線カメラ。
【請求項７】
前記ガンマ線集光部は、前記高エネルギーガンマ線に対しては凸レンズを備え、前記低エネルギーガンマ線に対しては凹レンズを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のガンマ線カメラ。
【請求項８】
前記凸レンズおよび前記凹レンズの少なくとも一つはフレネル構造であることを特徴とする請求項７に記載のガンマ線カメラ。
【請求項９】
前記凸レンズおよび前記凹レンズの少なくとも一つはキャピラリ構造であることを特徴とする請求項７に記載のガンマ線カメラ。
【請求項１０】
ガンマ線源の分布を測定し画像化するガンマ線カメラにおいて、
前記ガンマ線源より入射する入射ガンマ線を屈折させ、境界エネルギーより高いエネルギーを有する高エネルギーガンマ線と、前記高エネルギーガンマ線と逆方向に屈折する前記境界エネルギーより低いエネルギーを有する低エネルギーガンマ線とに区分し、かつ、透過した低エネルギーガンマ線を集光させる凹レンズと、
前記高エネルギーガンマ線および前記低エネルギーガンマ線を検出可能なガンマ線検出部と、
を備えることを特徴とするガンマ線カメラ。
【請求項１１】
前記凹レンズレンズはフレネル構造であることを特徴とする請求項１０に記載のガンマ線カメラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガンマ線源の分布を測定し画像化するガンマ線カメラに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガンマ線カメラは、測定対象物が発するガンマ線を、コリメータ等を通して２次元位置感応型のガンマ線検出器に結像し、測定対象物のガンマ線の強度分布を測定することができる。通常の可視光カメラと同様に、非接触で、広範囲の放射線分布を測定して汚染箇所を特定することが可能なことから、原子力発電所事故被災地や、プラント等で汚染箇所の特定用に用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】D. Habs, et al. “Refractive Index of Silicon at γ Ray Energies” PHYSICAL REVIEW LETTERS, PRL. 108, 184802 (2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原子力発電所の事故の被災地や放射性物質を取り扱うプラント等、ガンマ線カメラが使用される環境に存在する主な放射線源はコバルト（Ｃｏ）およびセシウム（Ｃｓ）である。従来のガンマ線カメラでは、線源の元素を区別するためには、ガンマ線の全エネルギーを吸収し光に変えるだけの大きさを持ったシンチレータと、光子数個から計測可能な例えば光電子増倍管（ＰＭＴ）などの高感度な光センサによって、シンチレータの発光量を計測する必要があった。しかしながらこの手法はシンチレータ、光センサとも高価で、また、必ずしもガンマ線の全エネルギーが光に変わるとは限らないため、検出感度が低いという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明の実施形態は、単純な構成でエネルギー分解能を持ったガンマ線カメラを実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するため、本実施形態は、ガンマ線源の空間的分布を測定し画像化するガンマ線カメラにおいて、前記ガンマ線源より入射する入射ガンマ線を屈折させ、境界エネルギーより高いエネルギーを有する高エネルギーガンマ線と、前記高エネルギーガンマ線と逆方向に屈折する前記境界エネルギーより低いエネルギーを有する低エネルギーガンマ線とに区分するガンマ線分光部と、前記高エネルギーガンマ線および前記低エネルギーガンマ線をガンマ線検出位置の違いによって分離して検出可能なガンマ線検出部と、前記ガンマ線分光部と前記ガンマ線検出部の間にあって、前記ガンマ線分光部を透過した前記高エネルギーガンマ線または前記低エネルギーガンマ線をそれぞれ、前記ガンマ線検出部の設置範囲内の異なる位置に集光させるガンマ線集光部と、を備える、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本実施形態は、ガンマ線源の分布を測定し画像化するガンマ線カメラにおいて、前記ガンマ線源より入射する入射ガンマ線を屈折させ、境界エネルギーより高いエネルギーを有する高エネルギーガンマ線と、前記高エネルギーガンマ線と逆方向に屈折する前記境界エネルギーより低いエネルギーを有する低エネルギーガンマ線とに区分し、かつ、透過した低エネルギーガンマ線を集光させる凹レンズと、前記高エネルギーガンマ線および前記低エネルギーガンマ線を検出可能なガンマ線検出部と、を備えることを特徴とするガンマ線カメラ。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の実施形態によれば、単純な構成でエネルギー分解能を持ったガンマ線カメラを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るガンマ線カメラの原理を説明するためのグラフである。
【図３】第２の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。
【図４】第３の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。
【図５】第４の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。
【図６】第５の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るガンマ線カメラについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１１】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。ガンマ線カメラ１０は、たとえば原子力発電所の事故により環境が汚染された地域の地面や建物、放射性物質取扱施設などにおける対象物中に存在しうるガンマ線源１の分布を、測定し画像化するものである。ガンマ線カメラ１０は、ガンマ線分光部であるプリズム１５、ガンマ線集光部である開口形成部材１８、ガンマ線を検出するガンマ線検出器１１、および筐体１９を有する。なお、後述するように、ガンマ線のエネルギーの違い（波長の違い）による屈折率の違いを利用してガンマ線を分別することから、ここでは、光の場合と同様に分光という用語を用いている。
【００１２】
ガンマ線検出器１１は、ガンマ線検出部１１ａ、信号受信部１１ｂおよび信号ケーブル１１ｃを有する。ガンマ線検出部１１ａは、２次元的に広がりをもって入射するガンマ線を２次元的に検出する。すなわち、２次元感応型である。ガンマ線検出部１１ａは、たとえばアレイ状に配置した複数のフォトダイオードで構成されたものなどがある。あるいは、原子核乾板のようなものでもよい。ガンマ線検出部１１ａで検出した２次元的検出結果は、信号ケーブル１１ｃを介して、信号受信部１１ｂに送信される。
【００１３】
プリズム１５は、三角柱形状であり、原子番号の高い物質、たとえば原子番号７９の金が材料として用いられている。図１では、プリズム１５がフレネル構造の場合を示しているが、これには限定されず、フレネル構造ではなくともよい。
【００１４】
開口形成部材１８には、２つの口径の小さな孔であるガンマ線集中通過開口１８ａ、１８ｂが形成されている。開口形成部材１８の材料は、ガンマ線の減衰効果の大きなたとえば鉛などでよい。ガンマ線集中通過開口１８ａ、１８ｂの口径が大きすぎると、ガンマ線検出部１１ａで検出されるガンマ線源の画像がぼけることになる。また、ガンマ線集中通過開口１８ａ、１８ｂの口径が小さすぎると、ガンマ線検出部１１ａに到達するガンマ線量が不足し、検出感度が低くなってしまう。したがって、ガンマ線集中通過開口１８ａ、１８ｂの口径は、画像の鮮明度と、検出感度とを考慮して、最適なサイズに設定する。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るガンマ線カメラの原理を説明するためのグラフである。図２の横軸は、ガンマ線のエネルギーＥ（ＭｅＶ）を対数目盛で表示している。縦軸は、ガンマ線の屈折率に関する指標δの絶対値を対数目盛で表示している。
【００１６】
ここで、δは、ガンマ線のエネルギーがＥのときのガンマ線の屈折率ｎ（Ｅ）と１との差を、次のように複素数で表現した場合の実部に相当する。ただし、ｉは虚数単位、δ（Ｅ）およびβ（Ｅ）は実数である。
ｎ（Ｅ）＝１＋δ（Ｅ）＋ｉβ（Ｅ）
【００１７】
図２において、曲線Ｃは、ガンマ線のエネルギーが低い領域で支配的なレイリー散乱等に基づく屈折率におけるδの理論曲線である。この値は負であり、曲線Ｃはその絶対値を示している。また、曲線Ｄは、ガンマ線のエネルギーが高い領域で支配的なデルブリュック散乱に基づく屈折率におけるδの理論曲線である。また、曲線Ａおよび曲線Ｂは、理論曲線である曲線Ｃおよび曲線Ｄを合成した値を示す。ただし、曲線Ａは、負の値の絶対値を示している（非特許文献１参照）。
【００１８】
したがって、曲線Ａの領域では屈折率は１より小さく、曲線Ｂの領域では屈折率は１より大きい。ここで、屈折率が１より小さいガンマ線のエネルギー領域を低エネルギー領域、屈折率が１より大きいガンマ線のエネルギー領域を高エネルギー領域とよび、低エネルギー領域と高エネルギー領域の境界のエネルギーを境界エネルギーＥＢと呼ぶこととする。すなわち、境界エネルギーＥＢは、レイリー散乱が支配的な低エネルギー領域とデルブリュック散乱が支配的な高エネルギー領域の境界であって、ガンマ線の屈折方向がその前後で逆転するエネルギーである。境界エネルギーは、図２に示すように１ＭｅＶ弱程度のエネルギーである。このエネルギーは、ガンマ線が通過する媒体によって多少は変化すると考えられるが、ほぼ１ＭｅＶ程度と考えられる。
【００１９】
今、図１に示すガンマ線源１からのガンマ線が、原子力発電所の事故により環境が汚染された地域の地面や建物等に存在する主要な核種からのガンマ線、すなわち、Ｃｏ６０由来のガンマ線（エネルギー  １．１７ＭｅＶ）およびＣｓ１３７由来のガンマ線（エネルギー  ６６２ｋｅＶ）からなる場合を考える。
【００２０】
この場合、Ｃｏ６０由来のガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶより大きいことから、Ｃｏ６０由来のガンマ線の屈折率は１より大きい。また、Ｃｓ１３７由来のガンマ線のエネルギーは１ＭｅＶより小さいことから、Ｃｓ１３７由来のガンマ線の屈折率は１より小さい。したがって、Ｃｏ６０由来のガンマ線とＣｓ１３７由来のガンマ線とは、互いに逆方向に屈折する。
【００２１】
Ｃｓ１３７由来の低エネルギーガンマ線３、プリズム１５を通過する際に、通常の光と逆の方向、すなわち、透過距離の短い方向に屈折する。一方、Ｃｏ６０由来の高エネルギーガンマ線４は、プリズム１５を通過する際に、通常の光と同様の方向、すなわち、透過距離の長い方向に屈折する。このように、ガンマ線分光部であるプリズム１５を通過することによって、互いに逆の方向に分光される。
【００２２】
Ｃｓ１３７由来の低エネルギーガンマ線３は、プリズム１５を通過した後に、ガンマ線集光部である開口形成部材１８に到達する。開口形成部材１８に到達した低エネルギーガンマ線３のうちガンマ線集中通過開口１８ｂの方向に来たものがガンマ線集中通過開口１８ｂを通過する。ガンマ線集中通過開口１８ｂを通過したガンマ線は、ガンマ線集中通過開口１８ｂを通過した際の方向に応じてガンマ線検出部１１ａの位置に到達する。この結果、ガンマ線検出部１１ａの位置で結像し低エネルギー側結像２ａを生ずる。
【００２３】
一方、Ｃｏ６０由来の高エネルギーガンマ線４は、ガンマ線集光部である開口形成部材１８に到達する。開口形成部材１８に到達した低エネルギーガンマ線３のうちガンマ線集中通過開口１８ａの方向に来たものがガンマ線集中通過開口１８ａを通過する。ガンマ線集中通過開口１８ａを通過したガンマ線は、ガンマ線集中通過開口１８ａを通過した際の方向に応じてガンマ線検出部１１ａの位置に到達する。この結果、ガンマ線検出部１１ａの位置で結像し高エネルギー側結像２ｂを生ずる。
【００２４】
以上のように、低エネルギー側結像２ａおよび高エネルギー側結像２ｂはそれぞれ、ガンマ線源１での位置的分布のそれぞれに対応して構成された画像となる。ガンマ線検出器１１のガンマ線検出部１１ａは、２次元感応型であるので、低エネルギー側結像２ａおよび高エネルギー側結像２ｂのそれぞれを、２次元的に検出し、信号ケーブル１１ｃを介して信号受信部１１ｂに出力する。
【００２５】
この結果、本発明の実施形態によれば、通常の材質で、通常の形状の物の単純な構成で、かつ低コストのガンマ線検出器を用いて、エネルギー分解能を持ったガンマ線カメラを実現することができる。
【００２６】
なお、ガンマ線源１の広がりと、ガンマ線カメラ１０でのガンマ線集中通過開口１８ａとガンマ線集中通過開口１８ｂ相互の間隔との関係から、低エネルギー側結像２ａおよび高エネルギー側結像２ｂのそれぞれの一部がガンマ線検出部１１ａ上で互いに重なり合う場合がありうる。
【００２７】
このような場合は、重なり部分には、高エネルギーガンマ線４と低エネルギーガンマ線３の両者が到達しており、高エネルギーガンマ線４または低エネルギーガンマ線３のそれぞれが単独に到達した領域に比べて、ガンマ線の照射量が大きくなっている。したがって、３つの領域が形成され、かつ、それぞれの領域の形状も把握できると考えられる。
【００２８】
したがって、対象とするガンマ線源１の分布は、このような評価を含めることによって分布を求めることでもよい。
【００２９】
［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、ガンマ線集光部として、開口形成部材１８（図１）に代えて、凸レンズ１６および凹レンズ１７が設けられている。凸レンズ１６および凹レンズ１７の材質は、原子番号の高い物質、たとえば金である。
【００３０】
高エネルギーガンマ線４は屈折率が１より大きいため、凸レンズ１６が高エネルギーガンマ線４に対して集光効果がある。したがって、プリズム１５で分光された高エネルギーガンマ線４のうち凸レンズ１６に到達したものは、凸レンズで集光されて、ガンマ線検出部１１ａの位置で結像する。この結果、高エネルギー側結像２ｂが形成される。
【００３１】
低エネルギーガンマ線３は屈折率が１より小さいため、凹レンズ１７が高エネルギーガンマ線４に対して集光効果がある。したがって、プリズム１５で分光された低エネルギーガンマ線３のうち凹レンズ１７に到達したものは、凹レンズ１７で集光されて、ガンマ線検出部１１ａの位置で結像する。この結果、低エネルギー側結像２ａが形成される。
【００３２】
以上のように、通常の材料で、通常の形状の物の組み合わせによって、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
［第３の実施形態］
図４は、第３の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形である。本第３の実施形態においては、ガンマ線検出器１１（図３）に代えて、移動式ガンマ線検出器１２が設けられている。
【００３４】
移動式ガンマ線検出器１２は、ガンマ線検出部１２ａ、信号受信部１２ｂ、および駆動部１２ｄを有する。信号受信部１２ｂは、信号ケーブル１２ｃを介してガンマ線検出部１２ａから検出信号を受信する。
【００３５】
駆動部１２ｄは、駆動軸１２ｅを介してガンマ線検出部１２ａを移動駆動する。駆動部１２ｄは、図示しない２軸構成である。すなわち、駆動部１２ｄは、図４の上下方向および図４の奥行き方向の２方向にガンマ線検出部１２ａを移動駆動可能に構成されている。このようにして、ガンマ線検出部１２ａは、第１および第２の実施形態においてガンマ線検出器１１が設置されていた２次元的な範囲（設置範囲という）を移動可能である。
【００３６】
対象とするガンマ線源１の状態が急激に変化しない場合において、低エネルギー側結像２ａおよび高エネルギー側結像２ｂが形成されている状態で、設置範囲を移動し、各場所のガンマ線強度を順次計測することにより、２次元的な結像の情報を計測し、信号受信部１２ｂに発信することができる。
【００３７】
信号受信部では、時間的な系列信号を２次元的な信号に変換の上、２次元的な画像情報を作成することができる。
【００３８】
このように構成されている本実施形態においては、単純なガンマ線検出器を用いて、第２の実施形態と同様の機能を確保することができる。
【００３９】
［第４の実施形態］
図５は、第４の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第４の実施形態においては、筐体１９の入口側開口が、プリズム１５より外側に突出している。すなわち、筐体１９は、プリズム１５より外側に突出する筐体突出部１９ａを有する。
【００４０】
このような形状とすることにより、たとえば、対象とするガンマ線源１以外に、ガンマ線源１ａ、１ｂなどが存在していた場合に、これらからのガンマ線がプリズム１５に到達するのを防止することができる。
【００４１】
この結果、ガンマ線源１ａ、１ｂなどからのガンマ線がプリズムに到達することにより外乱となるような状態を防止することができ、画像の質を確保することができる。
【００４２】
［第５の実施形態］
図６は、第５の実施形態に係るガンマ線カメラの構成を概念的に示す縦断面図である。本実施形態においては、凹レンズ２１が設けられている。凹レンズ２１を設けたことによって、低エネルギーガンマ線３のみを選択し、集光することができる。すなわち、本実施形態における凹レンズ２１は、分光部でありかつ集光部であるので、分光集光部ということができる。なお、高エネルギーガンマ線４（図１）は、凹レンズ２１で拡散する。
【００４３】
凹レンズ２１によって、たとえば、事故後の環境におけるＣｓ１３７などに起因する低エネルギーガンマ線３の分布を確認することができる。また、凹レンズ２１を、凸レンズに交換することによって、たとえば、事故後の環境におけるＣｏ６０などに起因する高エネルギーガンマ線４の分布を確認することができる。
【００４４】
このように、本実施形態によるガンマ線カメラ１０は、さらに簡単な構成により、ガンマ線源１の分布を確認することができる。
【００４５】
［その他の実施形態］
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第３の実施形態は、第２の実施形態の変形であるが、第３の実施形態の特徴を第１の実施形態と組み合わせてもよい。また、第４の実施形態の特徴と、第２の実施形態の特徴を組み合わせてもよい。
【００４６】
さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。
【００４７】
これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４８】
１、１ａ、１ｂ…ガンマ線源、２ａ…低エネルギー側結像、２ｂ…高エネルギー側結像、３…低エネルギーガンマ線、４…高エネルギーガンマ線、１０…ガンマ線カメラ、１１…ガンマ線検出器、１１ａ…ガンマ線検出部、１１ｂ…信号受信部、１１ｃ…信号ケーブル、１２…移動式ガンマ線検出器、１２ａ…ガンマ線検出部、１２ｂ…信号受信部、１２ｃ…信号ケーブル、１２ｄ…駆動部、１２ｅ…駆動軸、１５…プリズム（ガンマ線分光部）、１６…凸レンズ（ガンマ線集光部）、１７…凹レンズ（ガンマ線集光部）、１８…開口形成部材（ガンマ線集光部）、１８ａ、１８ｂ…ガンマ線集中通過開口、１９…筐体、２１…凹レンズ（ガンマ線分光集光部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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