Special Issue
新たな応用分野を切り拓くセンサ・カメラ技術
volno67

3

1

超広角コンプトンカメラによるガンマ線可視化技術

高 橋 忠 幸†，武 田 伸一郎†，渡 辺伸†

キーワード ガンマ線イメージング，コンプトンカメラ，テルル化カドニウム半導体検出器，放射性物質

1 ま え が き

2 ガンマ線によるイメージング

可視光領域を電子ボルト（eV）であらわすと，およそ 2 〜

ガンマ線は，物質中を通過する際，直接，電離や励起を起3eV となるのに対して，X 線は，数 keV から数 10keV となこさない．原子核の周りの電子がガンマ線光子を吸収し，る．それよりもエネルギーの高い領域をガンマ線と呼ぶの光電子とオージェ電子が放出される現象を光電吸収といい，が天文学の習わしである．ここでは 100keV から数 MeV ま反応を起こした場所やガンマ線が元々持っていたエネルギでをガンマ線と呼ぶこととする．

ーは，これらの電子をとらえることで決定できる．ガンマ

光による天文学が，人類の歴史ほど古くから始まったの線光子のエネルギーが電子の結合エネルギーよりも充分大に対して，X 線やガンマ線による天文学の歴史は極めて短きなエネルギーをもつ数 10keV 以上の領域では，原子核のい．それは，これらが，ほとんど大気に吸収されてしまい，周りの電子は自由電子とみなすことができ，コンプトン散地上で観測することができないからである．そのため，宇乱と呼ばれるガンマ線と電子との相互作用が支配的になる．

宙に，X 線やガンマ線で輝いている天体が数多く存在するエネルギーが数 100keV 以上のガンマ線が物資中に入るということをわれわれが知ったのは，ロケットという大気と，ガンマ線光子はコンプトン散乱を繰り返しながらエネ圏外に出る手段をもってからである．宇宙には，数千万℃ルギ−を失い，最終的に光電吸収を起こして止まる．したを典型的な温度とし，X 線を熱的放射のピークとするようがって，最後の光電吸収にいたるまでの反応を全部起こさな極限環境を生み出す天体が，数多く存在することが明らせるのに充分な「厚さ」がないと，入ってきたガンマ線が，かになったのである．中性子星，ブラックホールなど，理検出器から抜けてしまうことが起こる．可視光なら紙一枚論的に予言されていたような天体が宇宙には確かに存在で，また，エネルギーが数 keV の X 線でも薄いアルミ板でし，X 線やガンマ線はこうした環境を選択的に探ることが遮蔽できるのに比べて，数 100keV のエネルギーを持つガできることがわかってきた．

ンマ線光子をとめるには，数 cm もの厚さの重い鉛が必要

X 線天文学の発展はめざましく，今では，表面を滑らかにした金属面に斜入射させるようにした望遠鏡を用いることなることも，ガンマ線のイメージングを困難にしている要因である．とで，X 線を集光し，焦点面検出器に X 線 CCD を用いて数ガンマ線をイメージングする，すなわち，ガンマ線が到秒角というような角度分解能を確保したイメージングが可来する方向を知るための方法として，ピンホールカメラが能となっている．そして，実際にパルサーの回りの高温プある（図 1（左））．ピンホールカメラでは，小さな孔の開いラズマの動きを精緻にとらえた X 線画像をも，とらえるこた鉛やタングステン製の遮蔽板（マスク）をガンマ線に感度とができるようになっている．のあるセンサの前方に配置し，ガンマ線の入射方向とセン

ところが，光子のエネルギーが 100keV を超え，ガンマサ上で検知されたガンマ線の反応位置とを 1 対 1 に対応付線とよばれるようになると，高い角度分解能を持つイメーけることでイメージングを行う．ガンマ線源の形状決定精ジングは極めて難しい．それは，このようなエネルギーで度（角度分解能）は，充分に高い位置分解能を持つセンサが1）は，「集光が極めて困難」だからである ．

用意された場合に，孔の大きさとマスク・検出器との距離によって決まる．
宇宙観測では，沢山の孔を規則的にあけた符号化マスク†宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究所"Visualization of Radioactive Substances with an Ultra-wide Angle
Compton Camera" by Tadayuki Takahashi, Shin'ichiro Takeda and Shin
Watanabe (Institute of Space and Astronautical Science (ISAS), JAXA,Sagamihara)
映像情報メディア学会誌 Vol. 67, No. 3, pp. 197 〜 201（2013）（コーデッドマスク）と，シンチレータや半導体センサレイを組合せてガンマ線イメージングを行う方法が用いられることが多い．コーデッドマスクは一つ一つの開口部がピンポールカメラの孔に対応していると考えればよく，観測さ（13） 197

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（a）

（b）

θPbSi

（X1, E1）

CdTe（X2, E2）

θR＝1

図 1（a）ピンホールカメラの原理．ピンホール以外からのガンマ線を遮蔽する必要がある．視野角はピンホールの開口角で規定され，40ﾟ から 60ﾟ である．（b）Si/CdTe コンプトンカメラの原理．
入射したガンマ線は Si のイメージング素子で散乱され，CdTeのイメージング素子で吸収される．それぞれで測定したエネル
ギーと反応位置から，コンプトン散乱の運動学を用いてガンマ線の入射方向に制限を加える．（口絵カラー参照）

図 2 ガンマ線は散乱をおこした位置から，コンプトン散乱の運動方程式を解いて得られる角度θから飛来している．したがって，複数のガンマ線の情報を用いることで，ガンマ線源の位置（図中星印）を知ることができる．この解析方法をバックプロジェクシ
ョン法と呼ぶ．

れる画像は複数のピンホールからの画像の重ね合わせになンカメラが提案されている．しかしながら，必要な効率やる．したがって，取得したデータから，用いたマスクの幾画像分解能で可視化を行い，また，比較的簡便な手法で現何学的パターンに応じ，フーリエ変換などを用いて光源の地での撮像ができるような装置は存在せず，実証は実験室画像を再構成することになる．

レベルにとどまっていた．

ピンホールカメラも 100keV 程度のエネルギーのガンマ筆者らのグループは，ガンマ線領域で新しい天文学を切線であれば，比較的容易に作ることができる．しかし，ガり開くことをめざし，20 年前から大気球実験や，「すざく」

ンマ線のエネルギーが高くなるにつれて，マスクそのもの

衛星，そして次の X 線天文衛星 ASTRO-H11）を舞台にして，がガンマ線に対して透明になってしまうため，数 cm 厚も高感度ガンマ線センサの開発を行ってきた．特に，最近での鉛の板にピンホールを作る必要がある．また，放射性物はシリコン（Si）とテルル化カドミウム（CdTe）半導体のイ質が四方に分散している状況では，ガンマ線センサの後方メージング素子を組合せた Si/CdTe 半導体コンプトンカメから入ってくるバックグランドのガンマ線を遮蔽するためラを提案，日本の次期 X 線衛星 ASTRO-H への搭載をめざの鉛シールドも必要である．そのために，重い検出器となして，開発を進めてきた 8）〜 10）．優れた位置分解能と高いってしまう．

エネルギー分解能，高い時間分解能をあわせもつような Si

これまでにイメージングが難しかった数 100keV から数と CdTe の半導体イメージング素子を作ることができれば，MeV のエネルギー領域で，最近，着目されているのが，コそれらを組合せることで，非常にコンパクトで，角度分解ンプトンカメラの技術である．

能（画像の細かさ）の優れたカメラが実現するからである．

コンプトンカメラは，装置内部で起こった「コンプトンSi/CdTe 半導体コンプトンカメラの概念図を図 1（右）に散乱」のプロセスを記録し，そのエネルギー・位置情報と示す．ここでは Si は主に散乱体として機能し，CdTe は吸コンプトン散乱の運動方程式から，ガンマ線の到来方向を収体として機能する．エネルギー E in の入射ガンマ線に対求めるカメラである．従来のガンマカメラで用いられてきして，そのコンプトン散乱の位置（X1）と反跳電子の運動エたピンホールやコリメータを必要としないばかりか，シーネルギー（E 1），散乱されたガンマ線の吸収位置（X 2）とエルドすら必要としない次世代型ガンマ線カメラとして位置ネルギー（E2）を計測すると，づけられている．

3 Si/CdTe 半導体コンプトンカメラ
コンプトンカメラは 1970 年代に提唱され，いちはやく宇Ein = E1 + E2(1) 11 
cos θ = 1 − me c2 −EE+E2  21(2)

宙 観 測 に 使 用 さ れ た ． NASA CGRO 衛 星 コ ン プ テ ルのコンプトン散乱の運動学を使うことで，入射ガンマ線の（COMPTEL）ガンマ線望遠鏡（1991-2000）は，ガンマ線帯エネルギーと到来方向θを計算することができる．ここで，域において優れた感度で宇宙天体観測を行ったが，サイズmec2 は電子の静止エネルギーである．一つのガンマ線に対2m，総重量 1.5t の巨大なシステムで，地上用途へと展開すして，入射方向は X1 を頂点として作った円錐の表面に制限るのは不可能であった．その後，半導体検出器やガス検出され，天球上の円環として描かれる．複数のガンマ線を計器の著しい発展を背景として，さまざまな次世代コンプト測し，円環を重ね合わせることで，ガンマ線源の位置を特198 （14）

映像情報メディア学会誌 Vol. 67, No. 3（2013）» Special Issue «縡 超広角コンプトンカメラによるガンマ線可視化技術定できることになる＊（図 2）．半導体検出器は優れたエネル
ギー分解能と位置分解能を持つため，式（1），式（2）でも示されるように，高い角度分解能（θの高い決定精度）が実現可能であり，イメージング能力に重要な役割を果たす．
Si 半導体は原子番号が 14 と小さいため，コンプトン散乱を起こす確率が光電吸収に比べて高く，また，ドップラーブロードニング効果の影響が小さいという利点がある．こ

図 3 試作した超広角コンプトンカメラの写真の効果は，コンプトン散乱が，式（1），式（2）で仮定され（左）Si と CdTe のイメージャ（両面ストリップ検出器）をそれぞれ，2層と 3 層積み重ねた検出器．本カメラのために開発された読出し用のているように静止した自由電子ではなく，実際には原子核低雑音多チャネル ASIC には電荷増幅アンプ，整形アンプ，コンパレに束縛されている電子との間でおこることによる不定性でータ，そして A/D コンバータが組込まれており，検出器の信号はディある．これがコンプトンカメラによる角度分解能の限界をジタル信号に変換された上で出力される（右）冷却用の可搬型冷蔵庫と2 台用意したコンプトンカメラ．冷蔵庫の外側に超広角レンズをつけ決定する．数 100 μ m の位置分解能のセンサを用いたた小型ディジタルカメラを装着した．（口絵カラー参照）

Si/CdTe コンプトンカメラでは，600keV 程度のエネルギーを持つガンマ線の到来方向を 2ﾟ 程度の角度分解能で識別することができる 13）．

線物質の分布の可視化を行うときに，極めて有効であるこ

4 超広角コンプトンカメラを用いた放射性物質の分布の可視化実証試験

134（Cs），セシウム 137（137ラ」と呼ぶことにした．
超広角コンプトンカメラのもう一つの特徴は，一度の撮I）やセシウム像で，複数の核種の分布をカラー画像化できることにある．

Cs）などの放射性物質を含ん

図 4 は，宇宙科学研究所で行ったコンプトンカメラのデモ原子力発電所の事故により，ヨウ素 131（134131とから，筆者らは，この試作機を「超広角コンプトンカメだ塵が広範囲に飛来した 14）．放射性物質中の原子核が崩壊実験で得たガンマ線画像とスペクトルである．
この実験では，宇宙科学研究所の中庭に 133 Ba， 22 Na，して安定な原子核になる過程で放出されるガンマ線の強度が高いと体に悪い影響を及ぼす可能性がある．したがって，

137

早急に放射性物質を含んだ塵を取り除くこと，つまり，除らコンプトンカメラで撮像を行った．コンプトンカメラで染が必要である．そのためには，放射性物質がどこにある測定したエネルギー情報から，解析の段階で，それぞれのかを知る必要がある．線量計を持って地面をくまなく探し放射線源から放出される特定のエネルギー（133Ba: 356keV，てもよいが，もし，137Cs などから直接放射されるガンマ線22を見ることができれば，その源となっている放射性物質のックプロジェクション法によって画像化した．各点線源の場所も知ることができる．

位置は，魚眼レンズを装着したディジタルカメラ画像での2011 年 3 月 11 日に，わが国に震災がおこり，セシウムかCs の 3 種の較正用点線源を配置し，約 3m 離れた地点か

Na: 511keV，137Cs: 662keV）のイベントを抜き出し，バ位置とよく一致しており，複数の核種を識別できる能力をらの放射線が多くの人々の生活に影響を与えている事実を示す．

知るにつけ，筆者らが開発してきた半導体を用いた検出器「超広角コンプトンカメラ」による放射性物質の撮像実証

で何とか役にたてないかと思っていた矢先，東京電力から試験は，2012 年 2 月，計画的避難区域に指定されている福「宇宙で X 線を観測する技術で，放射線の強いところ，弱島県飯舘村などにおいて実施された 2）．超広角コンプトン

いところがどこか，広範囲にわたって一度に見分けることカメラによる画像から識別されるガンマ線強度が線量計でができないか」という問合せがあり，宇宙観測のために開はかったものとコンシステントであるかを検証するために発していたガンマ線のイメージング技術をこの国難に役立

日本原子力開発機構，東京電力の線量測定機器とともに測てることとなった 2）〜 7）．

定が行われた．

図 3 に，実証実験用に製作したコンプトンカメラの写真製作した超広角コンプトンカメラは，市販の車載用冷却ボを示す．2 層の Si 検出器と 3 層の CdTe 検出器から構成されックスに入れ，− 5 ℃に冷却した状態で測定を行った．冷却ている．各層を数 mm のギャップで積層することにより，ボックス前方には，小型の魚眼レンズを装着したディジタ

コンプトン散乱したガンマ線が装置から逃げにくい構造とルカメラを取り付け，可視光画像とガンマ線画像を重ね合なっており，結果として，カメラの正面から 80ﾟ 離れた位わせることで，放射性物質の分布を視覚的にとらえること

置から入射するガンマ線であっても，検出効率の低下はができるようにした．魚眼レンズを採用したのは，コンプ20%程度である．このような超広角の視野は，現地で放射トンカメラの広角撮像能力を充分に生かすためである．

＊

散乱体の中での電子飛跡をも求めることができると，入射ガンマ線の到来方向は円環上の一点に定められる．しかし，高い角度分解能を得るために必要なエネルギー分解能と，位置分解能，さらに充分な検出効率を確保しつつ，電子飛跡をとらえるイメージング素子を得ることは現状では難しい．

一例として，空間線量が 3 μ Sv/h 程度の地域で取得したガンマ線画像を図 5 に示す．画像中，赤色がガンマ線の強度が強い場所を示している．ここは，建物の屋根をつたって雨水が落ちる場所になっており，最大 30 μ Sv/h のホッ（15） 199

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5 医療への応用
核医学や小動物イメージングなど，医療イメージングの分野においても，コンプトンカメラの応用が期待されている 12）15）16）．この分野では，放射性核種を薬剤にラベルした放射性薬剤を生体に投与し，外部のイメージング装置で放射性核種からのガンマ線を検出して，薬剤の体内分布，体内動態を画像化する．コンプトンカメラを用いることの利点として，装置の高感度化による患者と従事者の被曝量の133-Ba（356keV） 22-Na（511keV） 137-Cs（662keV）低減を挙げることができる．
これまでのイメージング装置では，鉛もしくはタングス

500

テン製のコリメータやピンホールマスクを検出器の前方に配置し，ガンマ線の方向と検出器上の位置とを対応付ける

400

ことで，放射性薬剤の画像化を実現してきた．しかしながら，依然として装置の感度は低く，放出されたすべてのガ300

ンマ線に対して，実際に装置で検出しているものは，わずか 0.01%に過ぎない．これは，直径 3 〜 5mm の孔を通過し200てきたガンマ線しか検出できないためであり，コリメータ100やピンホールマスクを使う撮像方法の原理的な限界である．もし，装置の感度を飛躍的に高める別の方法があれば，00100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
エネルギー（keV）

薬剤の投与量の低減と撮像時間の短縮が図れ，被曝量の低減につながる．

図 4（上左）魚眼レンズをつけたディジタルカメラの写真．左からバリコンプトンカメラの場合には，コリメータやピンホールウム 133（ 133 Ba），セシウム 137（ 137 Cs），ナトリウム 22

マスクを用いることなくイメージを取得できる．特に，（22Na）の放射性較正線源を地面に設置．それぞれのエネルギーは，356keV（133Ba），511keV（22Na），662keV（137Cs）

Si/CdTe 半導体コンプトンカメラの広角撮像能力は，装置である．（上右）超広角コンプトンカメラと魚眼レンズのディジ前方のあらゆる方向からのガンマ線を検出できることを意

タルカメラの画像を重ねたもの．（下）同時に取得されたエネル味しており，小型の装置で高い感度を達成する上で有利でギースペクトル．解析時に指定したエネルギー範囲のガンマ線事象を用いてイメージを構成する

13）．（口絵カラー参照）

ある．同時に，散乱体にシリコンを用いることで実現した
優れた角度分解能は，従来機器にくらべても遜色のない，数 mm の空間分解能での撮像を可能とする（図 6）．この他にも，粒子線治療におけるモニタとしての利用も考えることができ，将来的には放射線医学の発展に資するべく，群馬大学重粒子線医学研究センターとの共同研究が行われている．

6 む す び
筆者らは，独自に開発を行った超広角コンプトンカメラを用い，福島県の計画的避難区域などにおいて，ガンマ線可視化装置の実証を行った．このカメラを用いることで
図 5 飯舘村で取得した画像（左）魚眼レンズを装着したディジタルカメラの可視光画像．（右）可視180ﾟ の視野において，10m 先で 1m 程度の大きさのホットCs から直接放出さスポットの存在を可視化できる．一方で，今後の除染作業

れる 605, 662, 796, 802keV のガンマ線の強度（フラックス）
分布．

において，超広角コンプトンカメラのコンセプトを最大限光画像にガンマ線画像を重ねた画像．

134

Cs，

137

赤が強度が高く，青が強度が低い．最大 30 μ Sv/h のホットスポットが明るく見えている．撮像時間 60 分．
（口絵カラー参照）に生かすためには，感度を数倍から 10 倍程度向上させて，実証機が数 10 分かけて撮像しているような場所で数分以内で画像化することが必要である．また，住宅の周囲ばかりトスポットが存在している．このように，今後除染が必要ではなく，山林などにおいて使うことを求められているたとなるエリアにおいて，実際にホットスポットの画像化にめに，持ち運びが容易なように数 kg 程度の重量におさえ成功し，除染作業における本装置の適用が効果的であるこること，さらに，除染作業者による操作を容易にすることとがわかった．

が，今後の課題であることも学んだ．

200 （16）

映像情報メディア学会誌 Vol. 67, No. 3（2013）» Special Issue «縡 超広角コンプトンカメラによるガンマ線可視化技術

131（364keV）
I85Sr（514keV）

図 6 Si/CdTe コンプトンカメラの実証機を用いて取得したマウスの画像（マウスはうつぶせとなっている）
ヨウ素とストロンチウムが集中している場所が違う様子がわかる．ストロンチウムには骨に集中している 12）．
（口絵カラー参照）

超広角コンプトンカメラは，構成する Si や CdTe イメージング素子の枚数を増減することが容易な設計となっている．
そのため，実証に用いたカメラの 10 倍以上の感度をもち，数 10 分かかっていた撮像時間を数分以内にするような高感度化を現在科学技術振興機構の支援のもと，三菱重工業，名古屋大学と共同で進めており，商用化をめざしている．

謝辞

6）T. Takahashi et al.: "2012 IEEE Nuclear Science Symposium
Conference Record"（2012）7）高橋忠幸，武田伸一郎，渡辺伸，物理学会誌（出版予定）（2013）
8）T. Takahashi et al., New Astronomy Reviews, 48, pp.309-313（2004），SPIE, 4851, pp.1228-1235（2003）
9）S. Watanabe et al., IEEE Trans. Nucl. Sci., 52, pp.2045-2051（2005）
10）
T. Takahashi et al.: "CdTe detectors and their applications togamma-ray imaging", in Biological and Medical Sensor Technologies（CRC Press）（2012）
11）
T. Takahashi, et al., SPIE, 8443, pp.8443 1Z-1-8443 1Z-22（2012）
SPIE, 7732, pp.77320Z-77320Z-18（2010）「超広角コンプトンカメラ」の研究開発は，本研究室のこれまでの大学院生，アクロラド社，三菱重工業名古屋誘導システム製作所，さらに名古屋大学太陽地球環境研究所の田島宏康，大阪大学理学部の能町正治，群馬大学医学部中野隆史，岡山大学榎本秀一ほか，多くの方々の協力を得て進められてきた．超広角コンプトンカメラの技術を発展させた ASTRO-H 衛星の硬 X 線イメージャ（HXI）や軟ガンマ線検出器（SGD）は，JAXA 宇宙科学研究所の他，東京大学，名古屋大学，広島大学，早稲田大学，東京工業大学などからなるチームが力をあわせ，開発を行っている．
（2013 年 1 月 7 日受付）

12）
S. Takeda, et al., IEEE Trans.Nucl.Sci., 59, pp.70-76（2012）13）
S. Takeda, et al., IEEE Trans.Nucl.Sci., 56, 3, pp.783-790（2009），
Physics procedia, 37, pp.859-866（2012）14）
http://radioactivity.mext.go.jp
15）
S. Motomura, et al., IEEE Trans.Nucl.Sci., 54, 3, pp.710-717（2007）
16）
S. Kabuki, et al., NIM A, 580, pp.1031-1035（2007）
たかはし

ただゆき

高橋忠幸

1987 年，東京大学大学院理学系研究科物理学専攻修了．東京大学理学系研究科助手，1995
年，旧文部科学省宇宙科学研究所（現 JAXA 宇宙科学研究所）助教授を経て，2001 年より，同研究所教授．
現在，X 線天文衛星 ASTRO-H のプロジェクトマネー
ジャを務める．専門分野は高エネルギー宇宙物理学，放射線検出器．博士（理学）．
た け だ しんいちろう

武田伸一郎

〔文献〕

1）井上一，小山勝二，高橋忠幸，水本好彦： 宇宙の観測 II「高エネルギー天文学」，シリーズ現代の天文学 17，日本評論社（2008）
2）JAXA 記者発表，http://www.jaxa.jp/press/2012/03/20120329̲
compton.html
3）渡辺伸，武田伸一郎，高橋忠幸： 科学 ，岩波書店（July 2012）4）高橋忠幸，渡辺伸，武田伸一郎： 宇宙科学研究所 ISAS ニュース ，2012 年 7 月号，http://www.isas.jaxa.jp/ISASnews/No.376/
ISASnews376.html
5）武田伸一郎，渡辺伸，高橋忠幸，日本アイソトープ協会 Isotope News ，2012 年 10 月号，アドコム・メディア OplusE，2012 年 12 月号

2009 年，東京大学大学院理学系研究科物理学専攻修了．理化学研究所基礎科学特別研究員
を経て，2011 年より，宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所研究員．宇宙，医療，セキュリティ分野におけるガンマ線検出器の研究開発に取組んでいる．博士（理学）．
わたなべしん渡辺伸2004 年，東京大学大学院理学系研究科物理学専攻修了．日本学術振興会特別研究員（SPD）を経て，2006 年，宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部（現，宇宙科学研究所）助手．2007 年より，同研究所助教．現在，X 線天文衛星 ASTRO-H 軟ガンマ線検出器の副リーダーを務める．博士（理学）．

（17） 201