2023年4月11日
月惑星に社会を作るための勉強会

宇宙放射線の線量評価や被ばくリスク低減に関する取り組み
小平 聡
国⽴研究開発法⼈量⼦科学技術研究開発機構
放射線医学研究所1

深宇宙への進出
地球軌道から離れて、⽉、さらに遠い⽕星を目指して

Credit: NASA2

宇宙生活の課題①無重⼒あるいは微⼩重⼒であること②宇宙船の中は閉鎖空間であること③宇宙放射線による被ばくをうけること
 宇宙滞在時は常に宇宙放射線にさらされる
太陽や超新星などの爆発でつくられ、光の速度まで加速された
⽔素やヘリウム、炭素、鉄などの粒⼦

 宇宙で受ける被ばくの特徴- 滞在時間に⽐例して、被ばく線量は高くなる- 地球上には膨大な大気があるので、宇宙放射線は遮へいされ地上には届かないが、宇宙空間では物質がないため、宇宙放射線は地上の100倍以上の強さになる- 地球には地磁気と呼ばれる磁場があるため、宇宙放射線の一部は磁場によって跳ね返されさえぎられるが、磁場の無い月や⽕星では宇宙放射線が直接降り注ぐことになり、被ばく線量がさらに⾼くなる

積極的な宇宙放射線の防護対策を講じることは、今後の深宇宙探査の安全性を高めるうえで重要
Credit: NASA3

宇宙放射線の被ばく線量と防護の課題
 常に宇宙放射線に曝され、被ばく線量は積算される- ISS軌道では0.5-1mSv/⽇程度で半年で100 mSvを超え、⽉⾯では年間420 mSvと試算
 地球磁気圏外での宇宙放射線環境は地球低軌道と異なる- ⽕星への往復で660 mSv程度になると試算（NASA/MSLデータ） Zeitlin et al., Science (2013)- 宇宙空間では地球低軌道に⽐べて被ばく線量に占める高LET（線エネルギー付与）の重粒⼦成分の割合が大きいので、人体に与える影響は大きくなると予想される
 放射線防護対策は︖

銀河宇宙線の主な粒⼦の実効線量当量への寄与割合

Credit: NASA

- 実効的な放射線防対策は取られていないのが現状

Naito, Kodaira et al., LSSR (2020)

戦略的な宇宙放射線防護対策が今後の深宇宙探査（⽉や⽕星）が必要
Ten year career effective dose limit based on 3% excess lifetime risk of fatal cancer (NCRP No.142)

年齢

実効線量限度 (mSv)
男性

⼥性

25700400351000600

451,500900

553,000

1,7004宇宙放射線の遮へいの方法
受動型の遮へい方法

能動型の遮へい方法

物質中に吸収する方法で、物質の厚みや密度が大きいほど、高いエネルギーの⼊射粒⼦を⽌めやすくなる

電磁気⼒を用いて荷電粒⼦の軌道を変更する方法で、電磁場を強くすると曲げられる⼊射粒⼦のエネルギーが高くなる

【利点】

【利点】

遮へい物質を置くだけで遮へい効果が得られる

場所をとる遮へい物質が不要で、効率的な遮へい設計が可能

【問題点】

【問題点】

宇宙放射線をすべて遮へいしようとすると、数m級の厚みが必要になるほか、遮へいを目的とした遮へい物質が別途必要になるので、打ち上げのコストや積載量に課題がある

遮へい装置の電源や冷却等のリソースや有効範囲の制限、電磁場を用いることによる⻑期的な健康への影響等、課題が多く実用化はまだ遠い

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受動型遮へい方法による線量低減化【低減化の方法①】 物質中で宇宙放射線を吸収して止める 単位密度当たりの阻⽌能は、材料の電荷・質量⽐（Z/A)が大きいほど高い 水素（Z/A=1）を含む材料がベター【低減化の方法②】 物質中で重粒⼦線が壊れることを利⽤して、線量寄与が⽐較的⼩さい軽い粒⼦に変換する
 単位密度当たりの核破砕反応断⾯積は、材料の質量数が⼩さいほど大きい できるだけ質量数の⼩さい材料がベター

水素を多く含む質量数の⼩さい材料が遮へいに適している
Naito, Kodaira et al., LSSR (2020)【戦略~その1~】 基地の場合

基地建造の材料が現地調達できる場合、方法①が適用できるので、場所や形態に応じた設計になる【戦略~その2~】 宇宙船の場合宇宙空間を移動中は、宇宙放射線をさえぎる物質はほとんどないので、方法②に特化した設計になる

状況に応じて遮へい効果が最大化できるような遮へい戦略を考える必要がある
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⽉⾯の縦孔地形を利用した放射線防護の可能性
⽉探査衛星かぐやが発⾒した、⽉⾯上に開いている巨大な穴（縦孔）の中では、宇宙放射線が遮へいされる、放射線防護に優れた場所になるのではないか︖

マリウス丘

静かの海

⽉の表側

⽉の裏側

賢者の海

Haruyama et al., Moon (2012) 139-163

7⽉⾯縦孔内における被ばく線量の低減化検討
 マリウス丘にある縦孔を例にとり、宇宙放射線の特性を厳密に考慮して、縦孔内の被ばく線量をシミュレーションによって詳細に評価した
 縦孔の底では被ばく線量を月表⾯の10%以下（年間19〜24 mSv）に低減可能で、地球上の職業被ばく基準値（100mSv/5年）以下になることから、縦孔は⻑期滞在に向けた有⼒な候補として期待される
開口部

底底

宇宙放射線の特性【光】 ⾒える範囲だけに届く【宇宙放射線】 ⾒える範囲だけでなく、物質をすり抜けたり、別の放射線をつくりながら侵入するマリウス丘の縦孔

宇宙放射線の特性を↙ 考慮した計算結果

光のような単純に⾒える↑
範囲だけで計算した結果

Naito, Kodaira et al., J. Radiol. Prot. (2020)

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宇宙船の遮へいによる線量低減化
 水素を多く含む質量の⼩さい材料が遮へいに適している 宇宙船に分厚い遮へい材を追加で搭載するのは現実的ではない
 陽⼦線(H)を⽌めるのではなく、重粒⼦線(He~Fe)を壊して線量低減化を図る思想
宇宙機はアルミニウムでできており、遮へいの観点では不適

重粒⼦線が約7割

Naito, Kodaira et al., LSSR (2020)

 複合材料（炭素繊維強化プラスチック等）や水素を結合させた錯体水素化物が候補
 ⾶⾏機や⾃動⾞などで使われる軽くて丈夫な炭素繊維強化プラスチックは、宇宙船の遮へい能⼒の向上に適した実⽤的な構造材料として期待
市販品
TECAPEEK CF30 blackhttps://www.ensingerplastics.com

⾃家製の複合材料9

複合材料の遮へい性能の検証（ビーム実験） 宇宙放射線を模擬した重粒⼦線を照射できる重粒⼦線がん治療装置HIMACを使い、単⾊・単一粒⼦のビーム照射により、いろいろな種類の複合材料の遮へい性能を実験的に調べた結果、宇宙船材料として⼀般的に使われるアルミニウムよりも最大60%遮へい効果が⾼いことがわかった
CR-39で測定した遮へい厚さに対するLET分布の変化

複合材料と放射線検出器を重ねた実験
鉄粒⼦の数が減少
重粒⼦線

炭素繊維プラスチック等の複合材料

Naito, Kodaira et al., Life Sci. Space Res. (2020)
Naito, Kodaira et al., Life Sci. Space Res. (2021)

軽い核に壊れる10

複合材料の遮へい性能の検証（ビーム実験） 宇宙放射線を模擬した重粒⼦線を照射できる重粒⼦線がん治療装置HIMACを使い、いろいろな種類の複合材料の遮へい性能を実験的に調べた結果、⼀般的に宇宙船材料として使われるアルミニウムよりも最大60%遮へい効果が⾼いことがわかった

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複合材料の遮へい性能の検証（シミュレーション）
 HIMAC照射実験の結果をGeant4を用いたシミュレーションで再現することを確認した
 宇宙放射線の組成・エネルギースペクトルを用いて、アルミニウム・炭素繊維強化プラスチック・ポリエチレンで遮へい後のLET分布を計算・⽐較した結果、高LET粒⼦成分が大きく減るものの、壊れた軽い⼆次粒⼦が増える
 それでも、12cmの厚さの炭素繊維強化プラスチックで宇宙放射線を遮へいすると、重粒⼦線の割合を減らして、被ばく線量を半分程度までに減らすことができる

Naito & Kodaira, Sci. Rep. (2022)12

宇宙放射線の個⼈被ばく線量計測
 宇宙放射線のLET範囲が4桁にわたるので（10-1~103 keV/µm）、一つの検出器では対応が難しいので、LET計測範囲が異なる線量計を組み合わせている 個⼈被ばく線量計測の標準的な方法は、低LET領域をルミネッセンス線量計（LD: TLD, OSLD, RPLD等）、高LET領域を固体⾶跡検出器（CR-39）で分けて測定する Doke et al., RM (1995)Kodaira et al., NIM B (2016)
Kodaira et al., RSI (2018)13標準的な受動型線量計
ルミネッセンス線量計（TLD, OSLD, RPLD）

固体飛跡検出器（CR-39プラスチック） 放射線の電離による電⼦・正孔が素⼦内の格⼦⽋陥に捕捉され蛍光中心が形成され、保持される。

 荷電粒⼦の通過経路に沿って分⼦結合が切断される。化学エッチ
ング処理によりエッチピットが生成され、光学顕微鏡で観察する

 熱や特定の波⻑の光刺激により、捕捉された電⼦や正孔が脱励起する際に呈する蛍光を光検出器で測定する

 エッチピットの大きさはLETの関数となり、その個数の分布を求めるとLETスペクトルになる
CR-39

TLD (LiF:Mg,Ti, CaSO4:Dy等)

OSLD(Al2O3:C)

重イオンのエッチピット解析

RPLD(銀活性リン酸塩ガラス)

OSLD読み出しリーダー（microStar, LANDAUER)

広領域高速画像取得顕微鏡(HSP-1000,SEIKOタイムシステム）※放医研との共同開発 14

宇宙放射線計測の流れ① 受動型線量計の準備② ロケットで打上（準備・輸送に数か⽉）③ ISS等に設置・曝露（数か⽉〜年）④ 地上に回収（回収・輸送に数か⽉）⑤ 解析・線量評価

一つのミッションにかかる時間︓ 1~2年（それ以上）

⽇本きぼう実験棟
欧州コロンバスモジュール

ロシアサービスモジュール15

【実験例①】ウェットタオルによる遮へい効果の実証実験
 ISSロシアモジュール内の積み荷であるウェットタオルを遮へい材として転用した場合の遮へい効果をISS軌道上で実証 未開封のウェットタオルを4層重ねて（厚さ約7.4cm）カーテンのように船壁に設置し、その前後に受動型線量計（6組12か所）を配置し、線量測定値の差分から遮へい効果を測定

↗
↗
↗
線量計
↘

 ウェットタオル遮へい体による線量低減率の平均値は37±7 % 積み荷を有効活用するという点でコスト削減につながる
 実験は2010年から開始して計8回実施（現在中断）↘

Kodaira et al., Adv. Space Res. (2014)16ウェットタオル

【実験例②】たんぽぽ実験 宇宙環境における微生物や有機化合物の起源や進化の解明を目的とし、宇宙空間に曝露した際の放射線量を測定
 きぼう実験棟の曝露部ならびに与圧部にて、2015年〜2018年の3年間の吸収線量の変化を観測した結果、曝露部の年間線量は231±5 mGy（与圧部内は82±1 mGy）であった
 ルミネッセンス線量計と3通りの厚さの減速材(Al, SUS, Pb)を組み合わせて、線量の減衰傾向から太陽粒⼦線と銀河宇宙線の寄与を切り分けを⾏った
低エネルギー陽⼦は⽌まりやすいので直ぐに減衰する

与圧部/曝露部の線量⽐0.35に達するのに必要な遮へい厚さは26 g/cm2 と⾒積もられる

Kodaira et al., Astrobiology (2021)17蛍光トラックを用いた個⼈被ばく線量計測技術の開発
CR-39は高LET粒⼦のLET分布の測定に⽋かせないが、化学処理⼯程が必要なため、地上に回収する必要があることや、⻑期間曝露によりCR-39に形成される飛跡の重なりが増加し、解析が困難になる
地上回収が必要なくその場で線量評価可能な新しい線量計として、素⼦中に生成した蛍光中心を蛍光顕微鏡系で走査して蛍光トラックとして可視化する技術（FNTD）への置き換えを検討中- トラックの蛍光強度がLETに対応するので、CR-39のようにLETスペクトルが測定可能- CR-39のような化学処理は必要なく、光学測定のみで閉じるので、その場で線量評価が可能- ブリーチング処理によりトラック情報を消去できるので⻑期間運用が可能【候補材料①】 酸化アルミニウム単結晶（OSLDとして使われている材料とほぼ同じ）【候補材料②】 銀活性リン酸塩ガラス（RPLDそのもの）

Akselrod & Kouwenberg, Radiat. Meas. (2018)

Kodaira et al., Radiat. Meas. (2020)

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LET測定用線量計の⽐較

 銀活性リン酸塩ガラスはCR-39と同程度の検出閾値をもつので、⾼LET粒⼦を選別して測定可能である。ガラスを通常のLDとして測定すれば低LET領域の線量が得られるので、CR-39+LDの組み合わせを応用して、一つの素⼦で全LET領域を計測可能

銀活性リン酸塩ガラスの適用を検討中

相対検出感度（LET=30 keV/μmで規格化）

 酸化アルミニウムは検出感度が非常に高く、陽⼦から重粒⼦まで測定できるため、CR-39+LDの組み合わせが不要になる。ただし、宇宙放射線に含まれる陽⼦線のフラックスが重粒⼦成分に⽐べて3桁高いので、トラック同士の重なり合いが解析上の問題になる。

10 210 1

酸化アルミニウム単結晶
銀活性リン酸塩ガラス
CR-39

10 010 -1

10 -2 -1
10

Sykora et al., RM (2008)
Bartz et al., RM (2011)
Kodaira et al., NIM B (2016)
Kodaira et al., RM (2020)

10 010 1

10 210 310 4

LET in water [keV/μm]

CR-39

酸化アルミニウム

銀活性リン酸塩ガラス

励起波⻑ / 蛍光波⻑ [nm]N/A

635 / 750

365 / 600

LET検出閾値 [keV/µm]~5~0.5~519

ガラスを用いた個⼈被ばく線量計測技術を検討中
携⾏可能な単一⼩型チップ素⼦で個⼈被ばく線量計測を『その場』で可能にする新しい方法の実用化検討を現在進めている20

今後の展開
2023
宇宙実験

2024

2025

2026

国際共同ミッション (ISS) JAXA(日)/DLR(独)/NASA(米)、他
アルテミス計画（月）DLR/NASA

地上研究

宇宙放射線の遮へい技術・計測器の開発研究（x⺠間企業）
電⼦デバイスの宇宙利⽤に関する技術開発研究

月有人探査に向けたArtemis-1号機・MARE実験
オリオン宇宙船による地球-月往復時の宇宙放射線計測ミッションMAREに参画中(2022年11⽉打ち上げ成功・12⽉帰還)

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まとめ
 深宇宙での有⼈活動に向けた宇宙放射線被ばくに関する課題として、戦略的な宇宙放射線防護対策と、その場で線量評価する信頼性の高い個⼈被ばく線量評価⼿法の開発があげられる
 QSTの取り組みの一部を紹介した
 ⽉縦孔地形を利用すると、地球上の職業被ばく基準値を下回る環境が確保できる可能性が高い[J. Radiol. Prot., 40 (2020) 947]

 複合材料の活用により宇宙船の遮へい機能を高めて、被ばくリスクの低減化はある程度可能[Life Sci. Space Res., 26 (2020) 69; Life Sci. Space Res., 31 (2021) 71; Sci. Rep., 12 (2022) 13617]

 国際宇宙ステーション軌道上での宇宙放射線計測を国際協働で継続しており、船内外での⻑期変動や空間分布あるいは遮へい効果に関する測定データの蓄積を進めている[Radiat. Meas., 49 (2013) 95-102; Adv. Space Res., 53 (2014) 1-7; Astrobiol. 21 (2021) 1-6、他多数]

 銀活性リン酸塩ガラスチップで個⼈被ばく線量計測が『その場』で可能になる[Radiat. Meas., 132 (2020) 10625]

本研究の一部は、QST未来ラボ宇宙量⼦環境研究グループと三菱重⼯業株式会社との共同研究によるもの、また科研費・挑戦的研究(萌芽)（21K19850）のサポートを頂きました。厚く御礼申し上げます。

ご清聴頂きありがとうございました22