高感度アルファ線測定装置
および測定技術
東京理科大学

理工学部 物理学科
助教 伊藤 博士
2022年11月8日
1

はじめに、アルファ線とは？
アルファ線放射性同位体(RI)例) ウラン、トリウム、ラドン
アメリシウム(238U, 232Th, 222Rn, 241Am)••••

ヘリウム原子核(質量数4, 電荷+2e)
空気中で数cm飛ぶ。紙1枚で止まる。
自然界には、空気中にラドン(α線放出)が100Bq/m3程度含まれている※ 。
被曝に関する等価線量係数が20: 他のベータ線、ガンマ線が1に比べて非常に高い。
※Bq(ベクレル): １秒間に１個アルフ

ァ線が放出する頻度に相当する単位。

• 原子炉の燃料廃棄物から大量のアルファ線が発生する。
• BNCT法など、アルファ線を用いた治療法も期待されている。
• アルファ線(一般に放射線)は、半導体メモリなどに損傷を与えデータ破損させうるため、関連部品はRI(放射性同位体)不純物を極限に減らす必要がある。
※BNCT（Boron Neutron Capture Therapy）：中性子とホウ素の核反応を利用し、がん細胞を選択的に破壊する治療法

2

宇宙素粒子実験の先端技術を社会へ還元
学術領域内で開発した表面α線分析装置

国内外で有名な素粒子実験グループ
Super Kamiokande

XENONnT

KamLANDCANDLES•

ガスTPC(タイムプロジェクションチェンバー)技術を用いた先端技術に基づいた。

•

空気中の自然放射能物質が表面に付着するような汚染ですら検出できる高い感度。

•汚染イメージが取得できる。

•

エネルギー分布から、α線が材料表面から or 内部から放射しているか判断できる。

NEWAGE• 宇宙素粒子実験のための検出器は「極限まで少ない不純物」＋「大型化」が要求される。これまで綺麗な素材確保・生成・分析技術は確立されてきた。
• 材料表面の微小な放射能汚染でも、地下実験では大問題！
• 表面アルファ線分析も重要である。

3

宇宙素粒子実験の先端技術を社会へ還元
𝑦𝑦 (cm)

分析感度~1x10-3 (90%CL) a/hr/cm2 @E>2.5MeVで、学術領域の研究グループから依頼され分析を実施してきた実績がある。

同じロットで切り出し部が異なる

μ-PIC(PS-TEPC)

Ra吸着ディスク
(SK-Gd)Live time: 476 hr

フランジ窓ガラス(中性子コンソーシアム)

Top view

Sample Region

市販GSO結晶GAGG typeS(φ24mm)GAGG typeT(φ24mm)𝑦𝑦𝑥𝑥(5x4cm2)

GSO No1(5x5mm)
GSO No2(5x5mm)

GSO No3(5x5mm)

MPPC素子(AXEL)

4BG Region

ZnWO4 No.1 ZnWO4 No.4
(10x10mm) (10x10mm)
表面研磨加工が異なる𝑥𝑥 (cm)

GSO No2: 43.27 ± 0.97stat ± 0.73sys 𝛼𝛼/cm2 /hr

4宇宙素粒子実験の先端技術を社会へ還元• 半導体ICチップの細密化に伴って放射線耐性が脆弱になる課題を抱えている。特に、超伝導量子ビット回路でも放射線の影響が報告されている。
• 従来の低アルファ部品では、今後対応しきれなくなると危惧されるため、超低アルファ金属および材料が必要である。当然、分析装置の高感度も必要である。
• いくつかの企業が低アルファ材料開発を始めている。
 三菱マテリアル社は、低アルファ線はんだを開発・生産(~10-3 a/cm2/h)。
 Honywell社は、低アルファ金属を使った基板を取り扱う。

参考文献

Nature 584 (2020) 551.

5

アルファ線分析の新測定技術(要素1) 表面汚染分析なので、(要素2) TPC技術は取扱いのハードル高い。

感度を上げるためには、有効面積を広げる必要がある。

もっと手軽に高感度アルファ線分析をしたい。

・読出しデバイスの面積を増やすと大変。

・不活性ガスのシンチレーション発光を用いる。

・そこで新しく、少ないデバイス面積でも大面積を分析・発光パターンから粒子識別することで環境ガンマできるTPCの電場を構築した。

線の雑音事象を抑制する。高感度化できる。

R

半径Rに比例して分析面積の拡張性をもつ容器内の不純物を抑えることで低放射能環境下での分析を可能にできる。
6

アルファ線分析の新測定技術(要素1) 表面汚染分析なので、感度を上げるためには、有効面積を広げる必要がある。
・読出しデバイスの面積を増やすと大変。
・そこで新しく、少ないデバイス面積でも大面積を分析

 飛跡を中心に集める電場を形成するため、デバイスを曲げて動作する必要がある。
 そのため、実際に試作設計し、アルファ線源を用いて信号読み出し試験を実施した。

できるTPCの電場を構築した。

7

アルファ線分析の新測定技術(要素1) 表面汚染分析なので、感度を上げるためには、有効面積を広げる必要がある。
・読出しデバイスの面積を増やすと大変。
・そこで新しく、少ないデバイス面積でも大面積を分析できるTPCの電場を構築した。
試作機のための、簡単な読み出し回路

 飛跡を中心に集める電場を形成するため、デバイスを曲げて動作する必要がある。
 そのため、実際に試作設計し、アルファ線源を用いて信号読み出し試験を実施した。
 結果：線源を入れた場合、入れてない時と比べて有意な信号を観測できたので、デバイス(GEM)を曲げても動作することを検証できた。

8

アルファ線分析の新測定技術(要素2) TPC技術は取扱いのハードル高い。
もっと手軽に高感度アルファ線分析をしたい。
・不活性ガスのシンチレーション発光を用いる。
・発光パターンから粒子識別することで環境ガンマ線の雑音事象を抑制する。高感度化できる。

圧力計
真空ポンプ

光センサー

ガスボンベ

光センサー

α線源

9

アルファ線分析の新測定技術
線源あり

もっと手軽に高感度アルファ線分析をしたい。

線源なし

・不活性ガスのシンチレーション発光を用いる。
・発光パターンから粒子識別することで環境ガンマ線の雑音事象を抑制する。高感度化できる。

圧力計
真空ポンプ

光センサー

ガスボンベ

光センサー

カウント頻度 [ sec-1](要素2) TPC技術は取扱いのハードル高い。

1気圧
1日測定

光電子数 [p.e] (*発光量に相当)• 線源あり・なしを比較することで、アルファ線によってCF4 ガスが発光している現象を明らかに観測できた。
• この時のCF4ガスの発光量は、約80光電子数*で、これは十分にアルファ線分析できることを示す。
*光電子数：光センサーに入射した光を、観測できる信号として生成された電子の数。光電子数は光量の指標として使用される。

10

アルファ線分析の新測定技術(要素2) TPC技術は取扱いのハードル高い。
もっと手軽に高感度アルファ線分析をしたい。
・不活性ガスのシンチレーション発光を用いる。
・発光パターンから粒子識別することで環境ガンマ• ガンマ線、宇宙線ミューオンなどが、アルファ線分析の大きな背景雑音(バックグラウンド)になる。
• 高感度化のために、線源なしでも発光しうる雑音事
象を抑制する必要がある。

線の雑音事象を抑制する。高感度化できる。

コンクリートや、空気中、検出器素材中からのガンマ線

カウント頻度 [ sec-1]

 環境ガンマ線
線源あり
線源なし

1気圧

PMT(1ch)e-PMT(2ch)

1日測定

線源なしでも発光する雑音事象を抑制する必要がある。

 宇宙線ミューオン
Cosmic μPMT(1ch)

PMT(2ch)

光電子数 [p.e] (*発光量に相当)
11アルファ線分析の新測定技術
 時間に関する発光パターンの特徴を抽出して分布をみると、α線と他粒子(ガンマ線、ミューオンなど)と異なり、粒子識別できることを検証した。

(要素2) TPC技術は取扱いのハードル高い。
もっと手軽に高感度アルファ線分析をしたい。

 つまり、鉛遮蔽や宇宙線ベトーなしでも効率よく雑音事象を抑制。

α線事象

環境ガンマ線事象+ミューオン事象※色は事象数を示す。

1気圧

total

時間[ns]

線源なし *どちらも10時間測定

線源あり

片対数表示

アルファ線識別前
アルファ線識別後

カウント数

1日測定

線源なしでも発光する雑音事象を抑制する必要がある。

パターン特徴を抽出した２次元分布

カウント数

線源あり
線源なし

アルファ線では、テイルが長くガンマ線やミューオンでは短い傾向がある

カウント数

カウント頻度 [ sec-1]

線の雑音事象を抑制する。高感度化できる。

信号電圧[mV]・発光パターンから粒子識別することで環境ガンマ時間に関する発光パターン

slow/total・不活性ガスのシンチレーション発光を用いる。

光電子数 [p.e] (*発光量に相当)
光電子数 [p.e]光電子数 [p.e]12市販のアルファ線測定器※代表的な装置を紹介してます。

Alpha Suite, ORTEC

WPC-1050, Protean

原理：真空+半導体検出器
・エネルギー分解能:20keV (FWHM) @5MeV
・分析最大面積: φ5cm
・分析感度: -原理：ガスフロー型比例計数管
・エネルギー分解能: なし
・鉛遮蔽による環境γを抑制
・分析最大面積: φ2インチ
・分析感度: 0.05cpm~ 3.8×10-2 a/cm2/h

Ultra-Lo1800, XIA

原理：イオンチェンバー(Ar)・エネルギー分解能
9% (FWHM) @4.6MeV
・分析最大面積: 1800cm2
・分析感度:< 10-4 a/cm2/h
13新技術の特徴・従来技術との比較
エネルギー測定
Alpha Suite, ORTEC

イメージ測定Ultra-Lo1800, XIA

WPC-1050, Protean

Alpha imaging chamber

新技術(要素1)

新技術(要素2)

計数頻度(感度)14想定される用途• 極低放射能サンプルの表面汚染分析。
– 主に半導体(量子コンピュータ開発)関連の材料・素材メーカーに需要がある。
– 宇宙素粒子実験の検出器を開発する上で、高感度分析技術は需要がある。この分野で、分析感度の改善は際限のない永遠のテーマ。
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~• (n,α)反応を用いた中性子測定– 例えば、ホウ素試薬(BNCTなど)に対して、中性子照射量に対する、アルファ線放射量の関係などがリアルタイムで明らかになる。

• 重イオンビームのモニター– アルファ線の正体はHe原子核。新技術(要素1)を応用して、重イオンビームの飛跡を小型センサーでありながら大面積をカバーできる。
15

実用化に向けた課題• 現在、動作原理検証と性能評価は実証済み。試作器による高感度アルファ線(イメージ)分析を提供できる段階にある。
• ガス発光量の増加は、低エネルギーのアルファ線分析にとって重要。ガス種類の最適化と、光センサー性能向上は今後の課題である。
• 試作器では、読出し回路に汎用的なモジュールを用いている。そのため、製品化の際、専用回路を構築する必要がある。
• 現在の配管作業は完全マニュアル操作である。サンプル交換などで、製品化の際、真空容器の開閉に伴うバルブ操作の自動化が必要である。
16

企業への期待• 宇宙素粒子実験の先端技術を社会に還元したい。
– 半導体、材料、化学など、他分野でも幅広く役立てたい。
– 高感度アルファ線分析のご依頼も、学術領域を超えて受け入れています。
• 装置を普及するために、ユーザーインターフェイスの大幅な改善が必要である。ユーザー目線の意見も欲しい。
• 本技術の性能をさらに向上するために、低雑音アナログ回路設計と構築が重要な鍵になる。より低エネルギーへ領域拡張でき、長期安定動作が実現できる。

17

本技術に関する知的財産権• 発明の名称 ：放射線検出装置
出願番号：特願2021-191168
出願人：東京理科大学
発明者：伊藤博士、石浦宏尚• 発明の名称 ：放射線測定装置
出願番号：特願2022-135318
出願人：東京理科大学
発明者
：伊藤博士

18

お問い合わせ先
東京理科大学
産学連携機構 岸井 貞浩
ＴＥＬ ０３－５２２８ － ７４３１
ＦＡＸ ０３－５２２８ － ７４４２
e-mail ura@admin.tus.ac.jp

19