福島上空における放射線と大気電気
日本原子力研究開発機構(JAEA) 福島環境安全センター
鳥居建男、眞田幸尚、西澤幸康
山田 勉、織田 忠
宇宙航空研究開発機構(JAXA) 航空本部
村岡浩治、佐藤昌之
福島大学 共生システム理工学類
渡邊 明
２０１４．１２．０３

第3回放射線計測フォーラム福島放射線と雷現象
 雷雲から放射線が出ている
 冬季雷活動時に2種類の放射線レベル上昇を観測（長時間・短時間バースト）

 夏季雷でも高山（富士山頂 等）でも観測される
 雷雲の強電界領域において逃走電子／電磁シャワー発生の可能性
 “種”としての高エネルギー電子：２次宇宙線、大気中の放射性物質（ラドン） 宇宙線が“種”か？ ラドン（大気中の放射性物質）の影響は？

 放射線が雷放電のトリガーになってる？
 雷雲中の電界強度：Max. 200 kV/m ＠1atm

室内実験：3,000 kV/m

 放射線起源の逃走絶縁破壊（Runaway Breakdown, 相対論的、非相対論的）？

どっちが先放射線雷2雷雲中の電界強度と絶縁破壊（放電）Electric Field (kV/m at 1 atm)

強 104
い103

3,000 kV/m

絶縁破壊電界と雷雲内電界（観測値）のズレ：約１桁《原因未解明》

絶縁破壊（平行平板電極）

逃走電子の生成＜280 kV/m

100
雷雲内

10

逃走電子と電磁シャワーの生成
雷雲電界を模擬し逃走電子の生成・制動放射線発生のシミュレーション

地上電界（雷雲通過時）• 雷雲をモデル化

1• 大気中に放射線入射

弱0.1
い

静穏時~100 V/m• モンテカルロ計算

モンテカルロ計算による電子・光子の飛跡解析
MC計算コードEGS4/5への電界効果の組み込み
高度 2 km（密度1.0066 kg/m3）
入射電子：10 MeV、25 個

光子電子
陽電子

1 km

0 kV/m

220 kV/m

高度2kmでは230 kV/mで電磁シャワーが連続的に発生

逃走電子の連続生成Eth  280  P [atm]  kV / m
180 kV/m

230 kV/m
5

逃走電子の生成
逃走電子の発生条件

Stopping Power ( MeV cm 2/g)

AIR, DRY (Near Sea Level)
Collision Stp. Pow.
Radiative Stp. Pow.
Total Stp. Pow.

10電界

1



e E  F (  ( z), p)

E>EminEmin0100.01dp
 e E  F (  ( z ), p)  0dt

0.1

1

10

100

Electron Energy (MeV)

電子・光子なだれ（電磁シャワー）の発生

Stopping Powers for Electrons and Positrons[ ICRU Rep. 37 (1984) ]6雷放電開始への放射線の寄与の可能性
雷雲の電界強度（観測値）が絶縁破壊電界の1/10 （～200kV/m）
逃走電子が生成される電界 （～280kV/m-atm） は雷雲電界と同程度である

放射線

強電界領域で逃走電子の生成

2次宇宙線（電子・陽電子・光子・ミュオン）

電気伝導度上昇放電開始（逃走絶縁破壊）逃走絶縁破壊@1atm

 特に透過性の高いミュオンからの崩壊電子、ノックオン電子の影響

Gurevich et al. : 220 kV/m

Dwyer et al.

: 284 kV/m

ラドン壊変生成物のβ・γ線

Torii et al.

: 280 kV/m

7

Energetic Radiation Associated with Thunderstorm Activity

Groundbased
AtmosphericElectric Field

Radiation

Torii et al. (2006)

Two types of radiation
Short-burst
about 1 second before return-stroke~millisecond order~up to 250 keV in US
more than 30 MeV in Japan (?)

Long-burst~Several minutes~up to 20 MeV

7

Long-burst of energetic radiation is observed during ….
Summer thunderstorm

Winter thunderstorm
In JapanA fewkilometer

Mt. Fuji< 1 kmTorii et al. (GRL, 2009)

4

MP-1
MP-2
MP-3
MP-4
MS-1

3

10102

JLDN ( + 5 km)
WWLLN ( + 20km)
Total Counts ( > 150 keV)
Atm. Pressure (hPa)

300(A)
250

Counts (c/s)

Dose Rate (nGy/h)10660

200655150

650

10 sec. Data101
4:28:00

100

4:30:00

4:32:00

4:34:00

Time (JST) 2 inch NaI Detector

665

BG

10:00:00

1 sec.
b c Dataa

12:00:00

14:00:00

Time (JST)Atm. Pressure (hPa)

Torii et al. (JGR, 2002)

645

16:00:00

5 inch NaI Detector

8Monte Carlo Simulation (Torii et al., GRL, 2004) Shows
Without electric field

With electric field

Runaway Electrons/Positrons

14:13:30

Estimated Source Location

The Sea of Japan
14:15:35
Cape Tateishi
7 m/s
ERM-2

ERM-3

FG1
FG2

ERM-4

JAEA

ERM-1

ERM-5

JAPC

FG3

TsurugaPeninsula
0500

1,000m

ERM-6

ERM-7

7.1 m/s
Radiation attenuation: exp (- r ln 2/λ )/(4πr2)
Half-length at 0.2 - 300 MeV: λ ~ 300 m
Torii, et al. GRL, 201111

Radar Echo Profile
Time

Vertical View of Radar Echo
above Fugen Site Observedby the Tojinbo Cliff Radar12上方向では観測されないのか・・・。
3P-EF/Winter
2P-EF/Winter
3P-EF/Summer
Ec (kV/m)-Ec (kV/m)

10,000

Altitude (m)8,000

夏季雷では発生しても地上に達しない

6,000

4,000

冬季雷・３極構造のときのみ発生
2,000

雷雲中で放射線は発生し得るし、雷雲上空でも発生する・・・。

0-300 -200 -100

0100 200 300

Atmospheric Electric Field (kV/m)

電界強度の高度分布と電子加速の方向

 TGF（Terrestrial Gamma-ray Flash）との関係は？
 航空機被ばく(雷雲上空、雷活動中の離着陸)は？

宇宙からのTGF観測 CGRO衛星（1991～2000）
 NaI検出器
 9年間で74回観測
 上昇時間:～1.0 ms

 RHESSI衛星（2002～ ）




Ge検出器
8ヶ月で125回も観測
上昇時間: 200 ms ～ 3.5 ms～20 MeV もCGRO

Fishman et al., Science, 1994

RHESSI

Smith et al., Science, 2005
16

TGF発生のメカニズム?
1. 雷放電直後の電界変動
2. 逃走絶縁破壊電界を超える電界の発生
3. 逃走電子の発生
4. 空気分子との衝突によるγ線（光子）の発生
5. 光子が人工衛星に到達( Inan, Science, 2005 ) 高度 400 km の人工衛星で観測されるなら雷雲中や雷雲上空では？
 地上で観測される長時間バーストは？

17放射能ゾンデによる雷活動中の放射線変動
 福島大（渡邊）は、福島第一原発事故後、大気中の放射能濃度、降下量の分布測定を実施
 β線・γ線検出器（GM管）を搭載した放射能ゾンデを定期的に放球し観測（JAEAと共同研究＝大気中の放射能分布の測定解析）

γ線検出器

β・γ線検出器16検出器の応答解析
 点線源（137Cs、36Cl）を用いて感度試験を実施
 モンテカルロ計算で点線源に対する応答計算
 大気中の放射性物質に対する検出器応答を解析
大気中に分布したCs-137、Cs-134に対する検出器（GM管）の応答
計数率(cps/(Bq/m3))

核種

1.7×10-3
1.3×10-5
4.7×10-3
6.5×10-6

γ線
β線
γ線
β線

137Cs
134Cs

1.0E-04

1.0E+00

線源試験

1.0E-05

計数率(cps/Bq)

計数率(cps/Bq)

γ線用

β線用

シミュレーション

1.0E-06

1.0E-01

シミュレーション
線源試験

1.0E-02

β・γ線

1.0E-03

1.0E-04

1.0E-070102030

距離(cm)

4050

012345距離(cm)

シミュレーションと線源試験（左：Cs-137、右：Cl-36）の計数率の比較

17

放射能ゾンデによる福島上空の放射線の観測
2014.4.12
放射線気圧2014.6.18

2014.6.16
気温湿度2014.7.21

雷活動中（6月18日）の測定結果とゾンデの飛跡2014年6月18日事象の放射線変動
 雷雨活動中にゾンデを放球

福島大学

福島大学

落雷地点：
福島大学

東京電力、

FJ社
20

計数率上昇時のレーダー画像

RHI画像
福島大・渡邊先生より提供
400

福島大学

Beta/Gamma-Tube
Gamma-Tube
CG (TEPCO)
CG (FJ)

Count Rate (cps)

350
300

高エネルギーの電子・光子の混在場

250
200

低エネルギーの電子・光子の混在場

150
100
50
0
15:45:00

15:50:00

15:55:00

Time (LT)

16:00:00

航空機を用いた放射線変動の観測
 JAXA実験用飛行機 「飛翔」 にγ線スペクトロメータを搭載し、雷活動中の福島上空 （40,000-47,000 ft） で観測

3インチ・5インチNaI検出器

飛行ルート (2014年8月7日、8日）
8月7日
8月8日

名古屋空港

飛行ルート （8月7，8日） と雷活動
2014.08.07

2014.08.08

高度15kmでの計数率の変動

A

B

10
C/R (A)Counting Rate (cps)C/R (B)

10.1

0.01
0

510

Energy (MeV)

1520 有意なスペクトルの変動は認められなかった。

ゾンデ・航空機観測のまとめ
 放射能ゾンデにより、雷活動中に放射線計数率の上昇が観測された。
計数率の解釈はこれからである。

 観測位置から強いレーダーエコーが観測される位置（高度：6 – 7 km）でBGの数100倍の計数であった。
 航空機観測では、雷活動に起因する有意な放射線は観測されなかった。
（その原因として）
 強い電場が近くにあったか？
（雷放電電流：-数 kA～-30数 kA）
 雷雲電界の極性は？

 8/7の雲頂高度が高かった（50,000 ft 超）。
（飛行高度：40,000 ～ 47,000 ft）
 目視による飛行では雷放電の多発箇所が特定しにくい。

 今後、観測法の検討・改善を行いつつ、観測を継続しデータ収集と分析を行う。