J. Jpn. Soc. Soil Phys.
土壌の物理性No. 125, p.29 ∼ 33 (2013)

フォトダイオードを用いた土壌中の放射能鉛直分布測定器の開発
鈴木心也 1 · 岩瀬

広 2 · 登尾浩助 3 · 溝口勝 1 · 小林大樹 1 · 伊藤哲4

Development of a device for measuring the vertical distribution of radioactivity
in soil using photodiodeShinya SUZUKI1 , Hiroshi IWASE2 , Kosuke NOBORIO3 , Masaru MIZOGUCHI1 , Daiki KOBAYASHI1 and Tetsu ITO4

Abstract: Measurements of radiocaesium concentration
profiles in a soil are very time-consuming and laborintensive work. We developed a device for in-situ measurements of the vertical distribution of radioactivity in asoil using a photo diode sensor. Four photodiode sensors
were separated by lead-shielded plates to increase directivity at each depth. Because the directivity was relatively
broad, we defined a leakage coefficient to compensate thebroad directivity by introducing a matrix expression. Witha field test of the device in an undisturbed rice field in Iitate
Village, Fukushima, we confirmed that the vertical distribution of soil radioactivity was properly measured with thedevice developed.
Key Words : radiocaesium, vertical radioactivity distribution, photodiode, matrix of leakage coefficient, decontamination

い等の要因でセシウムの鉛直濃度分布にばらつきが生じることが予想される．また，セシウムは，風化した雲母類に形成され，水和陽イオンの侵入できないフレイド ·エッジに固定される（中尾, 2012）ため，土壌中の粘土鉱物の種類や含有量等によっても鉛直濃度分布に違いが生じることが考えられる．このように，農地土壌中における放射性セシウム濃度の鉛直分布は複雑であり，除染を実施する際には，圃場内の複数点で測定する必要がある．
現在，土壌中の放射性セシウム濃度の一般的な深度別測定では，土壌採取を行い，研究室等に持ち帰り，深さ毎に分けた後に Ge 半導体検出器等により放射能を測定する（塩沢ら, 2011 など）．Ge 半導体検出器は高精度で測定できる利点があるが，大型かつ高価であるため現場測定に直接利用することは難しい．また，分析までの作業に多大な労力と時間がかかる上，分析後の汚染土壌の1. はじめに
農地土壌における除染で，除染効果を確かめるために除染前後での放射性セシウム濃度の鉛直分布を測定することが重要である．不耕起水田土壌中の放射性セシウムの大部分は，地表から 3 ∼ 5 cm の深さに分布している（塩沢ら, 2011）．しかし，原発事故から 2 年半が経過した現地の水田では，夏草が繁茂し，イノシシが地表面を掘り返していることも多い（溝口, 2012a）．また，有機物の豊富な土壌では，137 Cs が約 40 年かけて植物に取り込まれること（Kruyts and Delvaux, 2002; Chiu et al., 2008）
や，降雨の範囲や強度により 137 Cs が土壌にばらついて吸着されることも示唆されている（Tamura, 1964）．したがって，多くの除染を必要とする農地は，同一の圃場内においても，土壌中の有機物量や栽培作物，透水性の違
1 Graduate school of Agriculture and Life Science, The University ofTokyo, 1-1-1 Yayoi, Bunkyo, Tokyo 113-8657, Japan. Corresponding
author: 鈴木心也, 東京大学大学院農学生命科学研究科.
2 High Energy Accelerator Research Organization, 1-1 Oho, Tsukuba,Ibaraki, 305-0801, Japan.
3 School of Agriculture, Meiji University, 1-1-1 Higashimita, Tama,Kanagawa, 214-8571, Japan.
4 X-ability Co., Ltd., 3-16-6-801, Hongo, Bunkyo, Tokyo, 113-0033,
Japan.
2013 年 5 月 4 日受稿 2013 年 11 月 8 日受理

処理についても適切な処理方法を考える必要がある．このため，現場で簡単に複数点において，土壌中の放射性セシウム濃度の鉛直分布を測定できる方法の開発が必要である．
そこで筆者らは，フォトダイオードを用いて，安価で，小型で，可搬性の高い土壌放射能鉛直分布測定器を開発した．フォトダイオードは，もともとは光検出器であるが，放射線が通過する際の電離作用を利用すると，放射線を検知するセンサになり得る．最近では，このフォトダイオードを利用し，iPhone や Android 端末に接続することで空間線量を測定可能な線量計（ポケットガイガー，Radition-Watch.org 製）も発売されている．このポケットガイガーが 0.05 µ Sv h−1 地域において安定値を表示するまでの時間は，NaI（TI）シンチレータを使用している TCS-172B（Hitachi Aloka Medica, Ltd 製）の約 100倍かかるが，1 測定器当たりのコストは約 270 分の 1 である（Radiation-Watch.org, 2011）．溝口（2012a）はこのセンサを用いて，積雪により空間線量が低下することや晴天で乾燥した日には空間線量が高くなる傾向があることを報告している．そこで，本研究でもこのセンサを利用して土壌中の深度別の放射性セシウム濃度を捉えることができると判断し，測定器の開発に至った．

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するためにはコンクリートや鉄，鉛など比重の高い物質を用いる必要がある（藤原, 2011）．そこで，本測定器では深さ毎の指向性を持たせるために，各センサの間に鉛板を挟み込んだ．

Fig. 1 は，設計した放射能鉛直分布測定器の模式図である．鉛板は直径 70 mm，厚さ 10 mm である．エポキ
シ樹脂でセンサ基板をコーティングし，防水性を持たせた．アクリル円筒内にセンサ基板と鉛板を入れ，鉛板及びアクリル円筒の遮蔽効果により，本測定器は γ 線のみを捉えることができる．測定器に組み込んだセンサを，変換基板（X-ability 社製）を介してデータロガー Em5b（Decagon 社製）に接続した．

2.2 本測定器の評価方法開発した測定器を以下の 3 ステップで評価した．

2.2.1 点線源による指向性評価（漏れ係数）
点線源を用いてセンサの指向性を評価した（以下，指向性実験とする）．点線源は，137 Cs チェッキングソース（3 MBq）を用いた．指向性実験では，Sensor I から 10mm 離した位置に点線源を置き，この位置を Position 1とした．点線源と測定器を 10 mm 離したのは，本測定器は完全な円筒でないために現場の土壌に設置した際に少なからず隙間が空くこと，測定器の汚染防止のために
Fig. 1 放射能鉛直分布測定器模式図．（a）全体図．
（b）センサ部．
Schematic diagram of the device. (a) Overall view.
(b) Sensor area.

用いる密閉式ビニルの厚みを考慮したからである．同様に，Sensor II から IV まで，それぞれ 10 mm 離れた位置を Position 2 から 4 とした．Position 1 から 4 のそれぞれの位置に点線源を置き，各センサの計数率（cpm）を土壌中に分布する放射性セシウムは全方位に放射線を求めた．センサの総計数が 3,000 カウントになるまで測定を継続した．

放射するため，放射線量から深度別の放射性セシウム濃点線源から放射線は様々な方向に放射されているた度を評価することは難しい．そのため，土壌放射能鉛直め，他位置の点線源もセンサへ影響を及ぼす．さらに鉛分布を測定可能な現場測定装置は，これまでに開発例が板を透過している γ 線も存在している．そのため，現地ない．そこで，本研究では，遮蔽等に工夫を施し，測定における深さ毎の指向性を持たせた放射性セシウム濃度

範囲外の深度からの放射線の影響を考慮した土壌放射能の測定には，測定範囲以外からの放射性セシウム濃度を鉛直分布の測定装置の開発を行った．

考慮する必要がある．そこで，本研究においては漏れ係数という概念を次式で定義した．

2. 材料と方法
2.1 放射能鉛直分布測定器

Lij =CjCi(1)

本研究では，放射線を検知するセンサとして，PIN フォ

ここで，Lij は点線源が位置 i にある時のそれぞれのセントダイオード（VBPW34，Vishay 社製）を採用した．用

サ j の漏れ係数，Ci は 137 Cs 線源と同位置のセンサの計いたセンサは, ポケットガイガー（Radiation-Watch.org

数率（cpm），Cj は 137 Cs 線源と他位置のセンサの計数率製）を一部改変した基板（長さ 70 mm，幅 32 mm，厚さ （cpm）である．i = j の場合は Lij = 1 であり，i ̸= j の場10 mm）である．PIN フォトダイオードは，安価であり， 合の漏れ係数 Lij はそれぞれの漏れ成分の寄与として評性能劣化が起こりにくい利点がある．一方，このセンサ価できる．すなわち，漏れ係数が小さいことは，指向性は感度が高くないため，精度よく測定するためには時間を持たせた測定を示し，一方，漏れ係数が大きいことは，をかけて測定する必要がある．

線源 i とセンサ j の間の遮蔽が十分でないことを示す．

放射線は様々な方向に向かって放射されるので，各深2.2.2 測定値の補正法（補正行列）

さで濃度測定するためには，センサを設置した深さにお点線源実験から得られた漏れ係数が放射性セシウム濃ける放射線を捉えられるように指向性を高める必要があ

度によらず一定で，それぞれの漏れ成分の線形和で計数る．放射性セシウムが崩壊する際には β 線とともに γ 線率が与えられると仮定する．さらに，実際の汚染土壌のが発生する．この γ 線は，粒子の流れである α 線や βような連続した体積線源にも適用できるとすると，漏れ線とは異なり，電磁波であるために透過力が強く，遮蔽係数を用いて測定範囲外からの影響を考慮した関係式を

論文：フォトダイオードを用いた土壌中の放射能鉛直分布測定器の開発
Table 1 漏れ係数行列．
Matrix of the leakage coefficients.

Sensor I
Sensor II
Sensor III
Sensor IV31省，2011）に属している．また，福島県の水田に特徴的な土壌群である灰色低地土およびグライ土が分布しておPosition 1

Position 2

Position 3

Position 41.0000.1600.122
0.039

0.148
1.000
0.162
0.140

0.149
0.161
1.000
0.143

0.055
0.142
0.155
1.000

り，スメクタイト，ゼオライト，雲母などの粘土鉱物を多く含んでいる（山口ら，2011）．そのため，本実験地においても放射性セシウムは豊富に存在する粘土鉱物に強く吸着され，水田の不撹乱土壌で行われた先行研究（塩沢ら, 2011: 奥島ら, 2012）と同様に表土付近のみにおいて放射性セシウム濃度が非常に高いと考えられる．
土壌採取は，まず表面を覆っていた植物を取り除き，採土器で土壌を採取した．採取した土壌は 2 cm 毎にヘラで区切り，実験室に持ち帰って湿重量あたりの放射性セシウム濃度を測定した．
測定器は，水田土壌に測定器と同程度の大きさの穴を移植ごてで掘り，測定器の各センサ部の厚さ 10 mm の中心が地表面からそれぞれ 1，3，5，7 cm に位置するように，表面の汚染土壌が下部へ落ちないように十分に注意しながら埋設した．そして，各センサが設置された深さから上下 10 mm を測定していると仮定した．その際，測定器の放射能汚染を防ぐため，測定器は密閉式ビニル

Fig. 2 土壌中の放射線量の測定例（0 ∼ 2 cm）．
An example of observed radiation dose in soil（0 ∼ 2 cm）．

袋に入れて設置した．4 つのセンサは変換基盤を介して，データロガー Em5b（Decagon 社製）に接続した．電源タイマーにより，30 分オンその後 90 分オフを繰り返すように設定し，タイマーオフの間に接続されたソーラーパネルにより，バッテリーの充電を行った．測定データ
は，1 日に 1 回フィールドルータ（溝口, 2012b）と通信してインターネット経由で回収した．測定期間は 2012年 11 月 12 日から 2012 年 12 月 9 日であり，本研究ではある 1 日の測定間隔 30 分，12 回の測定データを代表値として本測定器の計数率を評価した．Fig. 2 に測定値の一例を示す．

3. 結果と考察
Fig. 3 各位置の漏れ係数．
Leakage coefficients at each position.

3.1 漏れ係数行列
Fig. 3 に，センサ別で点線源と同位置のセンサの計数率と他位置のセンサの計数率の比を漏れ係数として示し以下に表せる．

た．各鉛板の厚さ 10 mm である本測定器では，他位置

Cmea j = ∑ Ccor i Lij(2)の点線源の影響を 0.06 ∼ 0.16 程度受けることが観察された（Fig. 3）．この結果から，漏れ係数行列は Table 1

ここで，Cmea j は本測定器を放射能汚染土壌に設置したのようにまとめられる．

時の Sensor I ∼ Sensor IV の計数率（実測計数率），Ccor i3.2 補正法の評価

は遮蔽漏れの影響を考慮した Sensor I ∼ Sensor IV の計

Fig. 4 は，福島県飯舘村の水田の不撹乱土壌における数率（補正計数率），Lij は式（1）より得られた漏れ係数

採取土壌より得られた地表面から深さ 2 cm 毎の放射性である．式（2）を並べて表示し，行列式を解くことで未セシウム濃度と実測計数率，補正計数率の関係を示した知数である補正計数率を求めることができる．

ものである（ただし採取土壌は湿重量にて測定）．深さ毎2.2.3 フィールドにおける計数率評価の採取土壌の放射性セシウム濃度は，地表面付近の濃度本測定器のフィールド試験を福島県相馬郡飯舘村佐が高く，地表面から深くなっていくにつれて大幅に低く須滑の水田で行った．飯舘村は，福島第一原発から 28なった．この結果は，福島原発事故後に耕起や稲作の行∼ 47 km に位置しているが，気象条件や地理的条件にわれていない水田の不撹乱土壌（塩沢ら, 2011: 奥島ら,

より，放射性物質の累積が局所的に生じている（菅野，2012）における深度別の放射性セシウム濃度の傾向と一2011）．そのため，事故発生から 1 年間の積算線量が 20mSv に達する恐れのある「計画的避難区域」（経済産業致している．また，実測計数率は地表面付近で最も大き
く，深くなっていくにつれて緩やかに小さくなった．こ32

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そこで補正計数率を x 軸に，採取土壌から得られた深さ毎の放射性セシウム濃度を y 軸に設定することで本計測器における関係式を求めた（Fig. 5）．

y = 2247.4x − 3720.6(r2 = 0.98885)(3)

その結果，提案した補正式により得られた補正計数率と採取土壌の放射性セシウム濃度から直線関係を得ることができた．すなわち，漏れ係数を評価し，提案した補正式を用いて他位置からの放射線の影響を正しく補正することにより，深さ毎の放射性セシウム濃度を現場で精度良く測定することが可能となった．また，この関係式
Fig. 4 福島県飯舘村における水田の不撹乱土壌での深度別の放射性セシウム濃度分布（Sampling）および実測計数率（Raw），補正計数率（Corrected）の比較（採取土壌は湿重量にて測定．
第一縦軸は放射性セシウム濃度，第二縦軸はセンサの計数率とした）．

Comparison between radiocaesium concentration at each depth
level in undisturbed soil of paddy field in Iitate village,
Fukushima and raw and corrected couting rates (Samples weremeasured in wet weight).に従うと，補正計数率が 1.66 cpm の時に 0 Bq kg−1 を示すことになるが，自然放射線の影響を考慮すれば，この結果は妥当であると考えられる．

4. おわりに本研究では，放射能汚染された土壌において，深度別放射性セシウム濃度分布を推定する測定器を開発した．
本測定器は，遮蔽効果の高い鉛を用いて，センサに深度別に指向性を持たせたことが特徴である．しかし，鉛板は有限の大きさのために完全な遮蔽は難しい．センサに漏れ込む放射線の影響を漏れ係数として評価し，提案した補正行列を適用すること各深さの実測計数率を補正した．その結果，補正計数率と採取土壌による深度別の放射性セシウム濃度は高い相関関係を示し，現場において放射性セシウム濃度分布を精度良く測定できることを確認できた．
今後，精度よく短時間で測定を行うためには，従来から放射線を検知するセンサとして用いられている GM 管を使用し，測定器を開発することが考えられる．また，

PHITS（Particle and Heavy Ion Transport code System）という任意形状の 3 次元体系内における放射線挙動を解Fig. 5 採取土壌の分析により求めた放射性セシウム濃度およ析可能な汎用モンテカルロ計算コードを援用し（佐藤，び深度別の補正計数率の関係．

2011），土壌水分や乾燥密度の遮蔽効果も考慮しながら，Relationship between radiocaesium concentration by soil sampling and corrected counting rate.

厳密な設計を行うことで，より精度の高い補正が可能になると思われる．いずれにせよ，土壌中の放射性セシウの原因として，鉛板の遮蔽が十分でなかったことによるムの長期的なモニタリングも念頭において，本研究で開漏れの影響が考えられる．それに対して，補正計数率は発した測定器を改良していくことが重要である．

地表面からの深さ 0 ∼ 2，2 ∼ 4 cm までの計数率は大きいが，深さ 4 ∼ 8 cm では実測計数率と比較するとかなり小さな値となった．ここで生じた差が補正式によって考慮した漏れの寄与である．そして，採取土壌の放射性セシウム濃度を真値とすると，補正計数率は実測計数率と比較して採取土壌から得られた深さ 2 cm 毎の放射性セシウム濃度と近い傾向を示すことを確認することができた．

Fig. 5 は，採取土壌より得られた地表面から深さ 2 cm毎の放射性セシウム濃度と補正計数率の関係を示したものである（ただし採取土壌は湿重量にて測定）．

謝辞
本研究を進めるにあたり，吉見弘道博士（高エネルギー加速器研究機構），田野井慶太朗准教授（東京大学農学生命科学研究科），菅野宗夫氏（飯舘村農業委員会），ふくしま再生の会の皆様 に，多大なご助言とご協力を頂いた．査読者の方々には原稿の改訂で多くのご意見，ご助言を頂いた．また，本研究は，2011 年度明治大学震災復興 · 防災研究プロジェクトの助成を受けて実施した．
ここに記して，謝意を表する．

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要旨

土壌を採取し，深さ毎に放射性セシウム濃度を測定するには多大な労力と時間がかかる．そこで，本研
究では現場で放射性セシウム濃度の鉛直分布を測定する装置を開発した．放射線を検出する 4 つのフォ
トダイオードセンサを鉛板で挟み，深度別で指向性を高めた．しかし，指向性は十分ではないため，点線源実験により測定範囲外からの影響度合いを示す漏れ係数を独自に定義し，補正行列を提案した．福
島県飯舘村の不撹乱水田において本測定器を試験したところ，土壌放射能の鉛直分布がほぼ正確に測定できることが確認できた．
キーワード：放射性セシウム，鉛直放射能分布，フォトダイオード，漏れ係数行列，除染