⾼線量環境下における⼩型半導体を⽤いたバーチャル
ピンホールカメラの開発
令和3年 3⽉ 1⽇
受託︓原⼦⼒機構（研究代表者︓⿃居 建男）
再委託︓東北⼤学（代表者︓⼈⾒ 啓太朗）
東京⼤学（代表者︓⾼橋 浩之）
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研究の背景• 福島第一原子力発電所の建屋内作業環境では、空間線量率が高い場所が多数あり、手つかずの環境が少なからずある。高線量率なエリアでは散乱線成分も多く除染の効果が表れないことも多々ある。
• このため、廃炉を円滑に進めるためには、高線量率環境下において放射線源の位置を特定するためエネルギー情報とともに位置分布を詳細に把握する必要がある。
• 現状の放射線分布を計測するガンマカメラ；
ピンホールカメラ：大型、遮蔽体の多用による高重量
コンプトンカメラ：高線量率では測定が困難、画像の再構成時にゴースト発生
電子飛跡追跡型CC（ETCC)：大型、低線量率用→高線量環境下での放射線イメージングを行うためには小型軽量かつ迅速性に欠けるものとなっている。
• 原子力機構では、これまでコンプトンカメラにより1F建屋内の放射線イメージングを試みてきたが、作業環境は狭隘な場所が多く、計数率特性が悪いことから高線量率場での汚染源の特定が困難であった。
• 散乱線が多い環境で線源分布を求めるには137Csの分布のように対象核種のピークを測定して、線源分布を求める必要がある。このため、高エネルギー分解能を有する小型軽量の測定器の開発が強く求められている。
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本研究の⽬標
福島第⼀原⼦⼒発電所内およびその周辺環境には、ガンマ線(主に137Cs)のバックグランドが⾼い場所があり、廃炉作業推進の妨げになっている。

出典︓東京電⼒HP
URL:http://www.tepco.co.jp/nu/fukushima‐np/outline/2_11‐j.html

福島第⼀原⼦⼒発電所の廃炉を円滑に進めるためには・・・
福島第⼀原⼦⼒発電所内、もしくはその周辺環境において、どこに、どのくらいの量、どのような核種のガンマ線源が存在しているかを把握することが必要。
⇒効率的な除染作業につながり、作業員の被ばく量を低減することができる現場から求められているガンマ線イメージャー①
主な対象核種は137Csとする②
数 mSv/h以上の⾼線量場において動作が可能③
核種同定が可能(エネルギー分解能が2 % FWHM)④
オンサイトで使⽤するための軽重量化⑤
10 m先で2 m程度の分解能（⾓度分解能が11.4）をもつ
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新たに提案するガンマ線イメージング⼿法
バーチャルピンホールカメラ(Virtual Pinhole camera : VPC)

 重いコリメータが必要→現場での利⽤に制約
 視野⾓に制限→現場で使いにくい指向性検出器を⽤いるためコリメータが不要画像再構成が不要

VPCを実現するためには、指向性検出器の開発が必要
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コリメータから指向性検出器へ
ガンマ線イメージングの新原理
コリメータによる検出法
不要ガンマ線を遮断するためのコリメータをネガティブ配置

ガンマ線ガンマ線検出器
厚いコリメータで不要ガンマ線遮断

指向性検出器によるイメージング 検出器をポジティブ配置
無駄の少ないイメージング法
ガンマ線
指向性ガンマ線検出器
特定の⼊射⽅向に対して⾼い感度をもつ検出器に⼊射しないガンマ線まで遮断する必要はない
特定⽅向から⼊射したガンマ線を⾼検出効率で捕捉

臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）
臭化タリウム（TlBr）の特徴
ガンマ線吸収効率 → ⾼原⼦番号、⾼密度

http://www.op.titech.ac.jp/lab/Take-Ishi/html/ki/hg/chem04/0203/0203.html

密度(g/cm3)

Si

2.33

NaI

3.67

Ge

5.33

CdTe

5.85

TlBr

7.56

←アルミニウム(2.7 g/cm3)Ge←鉛ガラスLX-57B(~4.36 g/cm3)←鉄(7.87 g/cm3)

Liner

材料

662keVにおける光電吸収
約4.6倍

CdTe

662keVにおける光電吸収
約21.2倍GeTlBr6

662 keV

662 keV

Intensity

Intensity

TlBr
NaI(Tl)Ge1.1% FWHM
Energy (keV)

Energy (keV)7臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）
CdTe検出器とTlBr検出器の⽐較(シミュレーション)

CdTe検出器とTlBr検出器の耐放射線性の⽐較
Count Rate (s-1)

108
60 kGy12 kGy24 kGy4241Am

20
1.5 mm x 1.5 mm x 0.65 mm

500Counts

400

CdTe
100
200
300
Pulse Height (channel number)
0 kGy
68 kGyTwo days after the irradiation

300
200
137Cs

100
0100
0.5 mm x 0.5 mm x 0.1 mm

TlBr
200
Pulse Height (channel number)

300

8臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）
垂直ブリッジマン法によるTlBr結晶の育成

帯溶融法によるTlBr結晶の育成

1.13 インチ TlBr 単結晶

Φ18 mm TlBr結晶

9臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）
TlBr検出器の製作⼯程

結晶の切り出し結晶表⾯研磨電極⽤マスク

真空蒸着
電極形成

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臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）
⾼線量率（数mSv/h）⽤TlBr検出器の特性

⾼線量率⽤TlBr検出器
有感領域サイズ
0.5 × 0.5 ×2.0 mm3662 keV
4.5% FWHM

線量率︓ 50 mSv/h
バイアス電圧:‐200 V

中線量率（~100 Sv/h）⽤TlBr検出器の特性

中線量率⽤TlBr検出器
有感領域サイズ2 × 2 ×4.6 mm3662 keV
4.2 % FWHM

線量率︓ 150 Sv/h
バイアス電圧:‐500 V
11臭化タリウムを⽤いた⾼指向性検出器の開発（東北⼤学）

前⽅線源の有無により前後の検出器のピークカウント数に差が⽣じる
𝑁𝑁 / 𝑁𝑁

⾼線量率（数mSv/h）⽤指向性検出器
TlBr検出器サイズ : 0.5 × 0.5 × 1.6 mm3
鉛サイズ : 1.0 × 5.0 × 20 mm3

Detector2

Detector1

鉛遮蔽体【1F試験⽤】中線量率（100μSv/h）⽤指向性検出器
TlBr検出器サイズ : 2.0 × 2.0 × 4.6 mm3
鉛サイズ : 2.0 × 2.0 × 20 mm3 12

指向性検出器の単体試験 ＠ 原⼦⼒機構FRS
・線源、線量率︓137Cs、150 μSv/h
・検出器と線源の距離︓約3.4 m・測定時間︓各5分
・ガンマ線⼊射⾓度︓0°, ±3°, ±5°, ±7°, ±10°, ±20°, ±30°

𝑁𝑁 / 𝑁𝑁

⾓度分解能約8度（FWHM）
シミュレーションともよく⼀致し、指向性検出器の指向性が確認できた。

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VPCの製作（東北⼤）中線量率⽤指向性検出器を3組組み合わせたVPCを製作。
検出器の向きは6.8度（＝平⾏ガンマ線に対する⾓度分解能）ずつずれている 。

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放射線画像の再構成技術の開発（原⼦⼒機構）
3Dイメージング技術の開発
検出器と線源の距離3m

無限遠（平⾏ガンマ線）

中線量率⽤指向性検出器の応答特性をGeant4を使って解析し⾓度分解能を計算
検出器と線源の距離 3 m の場合︓7.29°（FWHM）
無限遠（平⾏ガンマ線） の場合︓6.88°（FWHM）
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シミュレーション結果の現場適⽤性（原⼦⼒機構）

シミュレーションで得た分解能や指向性 (NF－NB) / (NF＋Nb) の値を、対象物までの距離が不明な測定現場に適⽤して良いのかを検証推定される線源⽅向と真の線源⽅向は 0.7°以内で⼀致相対強度
相対強度 6% 以内で⼀致⼗分な精度であり、現場適⽤可能と判断

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バーチャルピンホールカメラの開発（東京⼤学）• ASICを⽤いて指向性検出器アレイ⽤の信号取得システムを開発• まずToT⽅式（信号の時間幅からエネルギー情報を得る）を検討• 4×4のTlBr検出器アレイと組み合わせリーク電流とエネルギー分解能を評価→ 〇リーク電流 7 nA @ 200 V バイアス×エネルギー分解能15.7%（FWHM）@ 662 keV• 電荷収集時間の⻑いTlBrにはToTが不向きと判断

ASICボード

137Cs線源を⽤いて測定したスペクトル17電荷積分型ASICの開発（東京⼤学）• ToT⽅式のASIC開発と並⾏し、電荷積分型のASICを開発• 積分時間を⻑くとることで電荷収集に時間のかかるTlBrでも⾼エネルギー分解能が期待• TlBr検出器アレイと組み合わせ放射線測定試験を⾏い、スペクトルの取得が可能であることを確認した

TlBr検出器アレイ信号取得システム

137Cs線源を⽤いて測定したスペクトル18

フォトグラメトリー技術、深層学習等を⽤いた
放射線分布マップ構築技術の開発（原⼦⼒機構）＜H30年度まで＞・フォトグラメトリー技術で作業環境の3次元モデルを作成
・ガンマ線イメージャで得た放射線源分布を重ねて表⽰
・スマートフォンと段ボールVRゴーグル〇安価
×没⼊感に劣る、VR空間内の移動が⾯倒＜H31（R1）年度＞
専⽤のHMDを導⼊、VR空間内を⾃由に移動可能
137Cs

133Ba

核種別にVR表⽰

19位置認識・作業環境データ収集技術の開発（原⼦⼒機構）• H30年度までに設計・開発した、遠隔で位置認識・作業環境データを収集するセンサー系の統合化、システム化をH31（R1）年度に実施• 移動しながら画像データ・3次元点群データを送信• 同時に点群地図⽣成および⾃⼰位置・姿勢推定• オペレータがこれらを参照しながら遠隔操作• 遠隔計測システムの実証試験を実施@ JAEA楢葉遠隔技術開発センター
遠隔操作型移動ロボット

点群地図（カラー）と移動軌跡（⽩）

1. 画像＆3次元点群データの収集
2. 3次元点群地図の⽣成
3. ⾃⼰位置・姿勢の推定（移動軌跡計算）がオンラインで実現できていることを確認

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1Fにおける実証試験（原⼦⼒機構、東北⼤）
試験⽇︓2020年 3⽉ 30⽇
試験場所︓1F 1号機⻄側⾼台（70 μSv/h）
参加者︓原⼦⼒機構 5名、東北⼤学 2名1Fに持ち込んだVPC機材

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1Fにおける実証試験（原⼦⼒機構、東北⼤）6検出器の和662 keV (137Cs)
3-4% FWHM

796 keV (134Cs)
VPC搭載の6個のTlBr検出器で得られたスペクトル

散乱線の多い1F現場でも137Csのピークを明瞭に検出
TlBrの⾼い検出効率を⽣かし134Csのピークも検出22

1Fにおける実証試験（原⼦⼒機構、東北⼤）1号機原⼦炉建屋• 1回8分の測定を4回実施
し12の視野を測定• 屋上周辺がやや強い• 視野8, 10, 11では誤差の2倍を超えており、実際に⾼線量と推定される• その他の視野では誤差が⼤きく確たることは⾔えない（測定時間が不⾜）・検出器数の増加（広視野化）
・装置の簡素化による組み上げ・撤収時間削減
・素⼦サイズの最適化により今後改善が期待
イメージング結果（上）相対強度（下）誤差に対する⽐23

⼈材育成と研究の効果• JAEA/CLADS主催の国際会議 福島リサーチカンファレンス(FRC)「廃炉遠隔技術のための耐放射線化、運⽤技術及び計測技術の⾼度化の展望」（2018年11⽉26,27⽇、富岡町「学びの森」）で本研究グループの野上光博⽒（東北⼤）がStudent Poster Awardを受賞した。
• 第13回放射線計測フォーラム福島（2020年12⽉11⽇、東京＆オンラインでハイブリッド開催）において、「⾼感度⼩型半導体を⽤いたバーチャルピンホールカメラの開発とその応⽤」で⼈⾒啓太朗⽒（東北⼤）が本研究について講演した。参加者（東電、メーカー、⼤学、JAEA等の専⾨家36名が参加）から多数の質問があり、東電より1Fでの課題を踏まえて、利⽤について問い合わせがあった。

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まとめ

• 新しい半導体検出器であるTlBrを⽤いて、全く新しいコンセプトの放射線測定システムを開発した。
• 製作したTlBr検出器を⽤い実験室において⽬標の2%を上回るエネルギー分解能1.1% FWHM で137Csからの662 keVのガンマ線ピークを捉えられることを確認した。
• さらに、0.5 × 0.5 × 2.0 mm3 のTlBr検出器が⾼線量率（50 mSv/h）環境下で良好に動作し、662 keVに対し、4.5% FWHM のエネルギー分解能でスペクトルが得られることを確認した。
⇒ 数 mSv/h以上の⾼線量場で動作可能なガンマ線検出器の開発に成功した。
• ⽬標の11.4°を上回る⾓度分解能 約 8°FWHM の⾼指向性検出器を開発した。
• ⾼指向性検出器を複数組み合わせたVPCシステムを構築し1F構内において実証試験を⾏った。
• VPCのイメージング結果から1号機原⼦炉建屋のオペレーティングフロア付近に強い放射線源の存在が⽰唆された（コロナ禍での作業安全や防護資材の供給事情により 1F建物内での測定はできなかった）。
• 位置認識・作業環境データ収集技術の開発により、放射線源分布を作成する上で重要となる移動測定や環境認識が可能となった。
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