日本海沿岸における冬の雷や雷雲に伴う放射線観測1

23,4

土屋晴文 、榎戸 輝揚 、和田 有希
433、古田 禄大 、中澤 知洋
443,5、

4

湯浅 孝行 、奥田 和史 、牧島 一夫 、中野 俊男 、楳本 大悟(GROWTH コラボレーション）

1. JAEA, 2. 京都大学, 3. 東京大学,4. 理研, 5. 名古屋大学

2018年原子力学会春の年会＠大阪大学

1

背景- 冬季の放射線増大事象 日本海沿岸の原子力発電所や自治体のモニタリングポストで冬季の雷が頻発する時期に観測(Torii+2002,Tsuchiya+2007)
継続時間で２種類に分類

ロングバースト

Counts/12 sec✓雷と必ずしも同期しない✓〜1分程度増加が継続>3 MeV
1分

2018年原子力学会春の年会＠大阪大学2背景- 冬季の放射線増大事象 日本海沿岸の原子力発電所や自治体のモニタリングポストで冬季の雷が頻発する時期に観測(Torii+2002,Tsuchiya+2007)
継続時間で２種類に分類

ロングバースト>3 MeV
1分✓雷と同期する✓〜1秒かそれ以下増加が継続
Counts/0.1 sec

Counts/12 sec✓雷と必ずしも同期しない✓〜1分程度増加が継続

ショートバースト

2018年原子力学会春の年会＠大阪大学

20081223

1秒

3背景- 冬季の放射線増大事象 日本海沿岸の原子力発電所や自治体のモニタリングポストで冬季の雷が頻発する時期に観測(Torii+2002,Tsuchiya+2007)
継続時間で２種類に分類

ロングバースト

ショートバースト

雷雲
加速電子

制動放射ガンマ線

2018年原子力学会春の年会＠大阪大学4背景- 冬季の放射線増大事象 日本海沿岸の原子力発電所や自治体のモニタリングポストで冬季の雷が頻発する時期に観測(Torii+2002,Tsuchiya+2007)
継続時間で２種類に分類

ロングバースト雷雲

ショートバースト
雷

加速電子
両者とも加速された電子の制動放射ガンマ線なのか？
制動放射
制動放射ガンマ線
ガンマ線

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5

GROWTH実験
Gamma Ray Observation of Winter Thunderclouds

第 5 章 検出62-観測場所や装置5.2.3 冬季観測 2016

冬季観測 2016 では検出器を一新し、金沢・小松、能登、そして柏崎の 3 地点
2006年に柏崎で観測開始（冬季雷雲は雲底が低く、観測条件が良い）えた。実際に設置した検出器を図 5.8 に示す。また作業と運用ログを表 5.5、検ギュレーションを表 5.6 に示した。設置作業には金沢大学の米徳氏・澤野氏、校の渡會氏、金沢泉丘高校の米口氏、小松高校の木村氏、サイエンスヒルズこのづくり科学館」の北野氏、東京学芸大学 鴨川研究室の皆様、金沢大学能登学
電力ホールディングスの押見氏ほか多くの方々にご協力いただいた。

NaI, CsI, BGOなどの無機シンチレータ+Raspberry Piで装置を小型化

2018年現在、金沢、小松、珠洲にも観測地点を設置(和田,東大修論2017)
Kashiwazaki
柏崎Kashiwazaki
柏崎

和田修論（東大）

カメラ用治具1 km
BGOSuzu
珠洲

信号処理系

Kanazawa
金沢Komatsu小松Winter sites
Summer sites

富士山
Mt. Fuji(3775 m)3535cm4545cmKomatsu
小松小松高校
金沢・小松への展開
サイエンスヒルズ小松
2 km

乗鞍
Mt.
Norikura(2770 m)ルーター

図 5.8: FY2016 検出器の構成.

Kanazawa
金沢

5 km

金沢大学、金大付属高校
泉丘高校
かし展開直前の本郷での屋外試験中に、気温が 10 月としては異例の 30 ℃超え
石川メッキ工業（株）などが 70 ℃に達した。FY2016 の信号処理系は FPGA の電源を落とすことがで

c: Izumigaoka High Schoold: Kanazawa Univ. High Schoole: Kanazawa University
今年度は昨年度より観測期間を長くして機会をうかがうため、10 月中旬に展e
出器自体に冷却機能を取り付ける必要が出てきた。そこで
cd 10 月中旬の展開は予月の初旬に冷却機能の改修 (4.6.1 項を参照) を行うこととした。検出器は bg
a: Komatsu HighSchool搭載したシンプルなものとした(図 5.8)。金沢大学を除いてネットワークは携
b: Science Hills Komatsu
6
ルーターと Raspberry Pi は有線 LAN で接続した。通信容量の関係でデータこれまでのイベント数
2018年１月まで

ロングバースト 37例
ショートバースト 13例

柏崎のみ

金沢、小松、珠洲にも2015年以降、多地点観測により観測イベント数の増大を実現
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未解決の観測結果
ショートバーストで中性子生成の可能性✓雷でDD反応により中性子が生成という報告

Shah+, Nature(1985)✓DD反応ではなく光核反応で中性子が生成という予測

雷から遅れた対消滅ガンマ線の放射

Babich+, JGR (2006)

20120113 (GROWTH実験, Umemoto+ PRE,2016)✓雷の終了から数十秒続き、ロングバースト的な振る舞いを示す。
511 keV

昨年、こうした現象を統一的に理解できるイベントを観測
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8Enoto, Wada, Furuta+,
Nature, 2017
• 2017年2月6日 17:34:06(日本時間) に柏崎で雷が発生。

37.445

雷での光核反応発生を実証したイベント

103

緯度 ( N)37.435

102

12101
3

雷の発生点

37.425-海日本に加え、佐藤ら (北大)の電波観測で雷の発生を確認。

モニタリングポスト

柏崎

雷時の放射線の増大率→ 放射線の増大を同時観測• 雷観測ネットワーク (JLDN)

専用の測定装置

174+

5Cm/s

B
6A
D

37.415987

1 km
138.580138.593138.606
経度 ( E)2018年原子力学会春の年会＠大阪大学

9b

200

150

雷の発生時刻40-60 ミリ秒の時定数で減衰するショートバー
スト的残光>0.35 MeV

100

103102

12101
3

雷の発生点

50-

174+5Cm/s

B
6A
D

90−100柏崎

雷時の放射線の増大率

0100 200 300 400
時間 (ミリ秒)

37.415

カウント数 (10 ミリ秒)-1250

モニタリングポスト

海

放射線の時間変化

専用の測定装置

日本

測定装置 A

緯度 ( N)
カウント数 (1037.435ミリ秒)
37.425300

37.445(1) 雷と同期した放射線増大を検出

8

7

1 km
138.580138.593138.606
経度 ( E)2018年原子力学会春の年会＠大阪大学

10

(2) 雷直後から〜100 ms までのエネルギースペクトル測定装置 A
放射線の時間変化
b

200

150

雷の発生時刻カウント数 (10 ミリ秒)-1

250

40-60 ミリ秒の時定数で減衰するショートバー
スト的残光>0.35 MeV

100

環境バックグラウンド

1000

100

1010.150

10−100

検出器 A

10000
-1-1
ガンマ線スペクトル(CountssMeV)
カウント数 (10 ミリ秒)

300

23
4 5 6 7 8 910
エネルギー (メガ電子ボルト)〜10 MeVまで伸びるスペクトル
0100 200 300 400
時間 (ミリ秒)
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11

(3) 雷から遅れた0.511 MeV 対消滅線の観測
雷毎秒のカウント数300

放射線量の増大
200

100

0050
100
時間 (秒)

150

およそ35秒ほど遅れて、雷発生点の下流の検出器で放射線が増大!

ガンマ線スペクトル (103 Count MeV-1)

放射線量の変動 (0.35-0.60 MeV)

雷の後 1-63秒の間のスペクトル1614
12

対消滅ガンマ線

10864
2
00.4

0.5 0.6

0.8

12

エネルギー (メガ電子ボルト)

対消滅ガンマ線を検出!

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12

イベントの解釈：雷ガンマ線による光核反応
ガンマ線

半減期 10分

ニュートリノ(大気分子)

窒素

不安定同位体

炭素同位体14N

13N

13C

高速中性子

光核反応(>10.6MeV)

γ + 14N → 13N + n

陽電子

ベータプラス崩壊
13N → 13C + e+ + ν

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e13

イベントの解釈：雷ガンマ線による光核反応
10 MeV中性子が0.1 eV
高速中性子となる時間:56 ms(観測の時定数と一致）

陽電子(大気分子) 窒素 14N(n,p)反応

対消滅

中性子捕獲
電子

炭素同位体

窒素同位体

14C

15N

準安定 (半減期 5730年)
年代測定に使われる即発ガンマ線(Max 10.8 MeV)！
出検

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対消滅 ガンマ線
0.511 MeV！
出検
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まとめ
冬の日本海側では二種類の放射線増加現象が観測されている
ロングバーストとショートバースト装置の小型化により多地点観測を実施し、増加現象をより数多く捉えることに成功
雷の中で光核反応が引き起こされることを実証
中性子捕獲による即発ガンマ線がショートバーストに寄与
雷から遅れたロングバースト的な511 keV放射の原因を解明
14Cが雷で作られる可能性を示唆

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