園田真也
A
高田淳史
A
，谷森達
A
，水村好貴
B
永井晴康
C
，中山浩成
C
，佐藤大樹
C
，古田禄大
C
京大理
A
，JAXA
B
，JAEA
C
電子飛跡検出型コンプトンカメラによる
福島第一原子力発電所建屋周辺のイメージング分析結果
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会
1Fの廃止措置における6つの重要研究開発課題
1. 燃料デブリの経年変化プロセス等の解明
2. 特殊環境下の腐食現象の解明
3. 画期的なアプローチによる放射線計測技術
4. 廃炉工程で発生する放射性飛散微粒子挙動の解明 (αダスト対策を含む)
5. 放射性物質による汚染機構の原理的解明
6. 廃炉工程で発生する放射性物質の環境中動態評価
平成30年度 英知を結集した原子力科学技術・人材育成推進事業
課題解決型廃炉研究プログラムに採択
放射能の正確な情報収集が重要
ETCCはすべての課題に
重要な進展をもたらす可能性
◼
放射線量
◼
放射能分布
◼
スペクトル分析に基づく核種の同定
◼
放射性物質の動態把握と拡散影響
γ線画像からの大気中3次元核種分布及び放出量の逆解析手法 (JAEA担当)
◼
核種分布と放出量を定量解析することで高精度な拡散予想
◼
課題4，5，6に大きな進展
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール 2020/12/26 (土)背景
◼ μ-PIC (Time Projection Chamber: TPC)
コンプトン散乱で生成される反跳電子の三次元飛跡とエネルギーを 測定
◼ シンチレーションカメラ (Pixel Scintillator Array:PSA)
Pixel Scintillator Array + Multi anode PMT 散乱ガンマ線の吸収点とエネルギーを測定 入射ガンマ線の到来方向を1光子ごとに一意に決定可能
ETCCの特徴
環境放射線モニタリングへの期待
ガンマ線エネルギー広測定領域
複数線源を同時にイメージング
広視野角 (3str)
少ない台数で3次元撮像可能
ガンマ線の到来方向を完全に決定
2次元PSFを定義，定量的なイメージング可能
運動学的手法による雑音除去
高感度化，高線量環境下でのイメージング
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール電子飛跡検出型コンプトンカメラ (ETCC)
2020/12/26 (土) 従来型CC ETCC 反跳方向の情報あり 反跳方向の情報なし イメージの位置分解能が改善 線源位置モニター1 モニター2 モニター3
モニター1
モニター3
モニター2
プルームのγ線計測
γ線画像
プルームの3次元濃度分布・放出量
プルーム中核種からの放射線輸送過程を
多数のγ線モニター画像から逆解析し核
種の3次元濃度分布と放出量を復元
放出量
3次元濃度分布
目標
ETCCにより得られるγ線の定量的画像から，建屋周辺大気中の放射性核種の3次元分布，及び
放出量を逆解析する手法を開発する．
方法
シミュレーションベースの手法開発，現地観測データによる試験
(沈着核種利用)
1. 大気拡散予測
: 1F建屋周辺の様々な大気中核種濃度分布生成
2. 放射線輸送計算: 大気中核種分布からγ線画像データを計算する
応答関数を構築
3. 逆解析手法
: 応答関数の逆解析によりγ線画像データから濃度分
布を復元
応答関数行列を計算する体系の模式図 第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホールγ線画像から3次元核種分布と放出量を逆解析する手法の開発 (JAEA担当)
2020/12/26 (土)μ-PIC (20cm×20cm)
DNP製作
前段検出器 (Time Projection Chamber)
➢ リング電極は等間隔 (=1cm) に配置 ➢ 20MΩの抵抗で接続 → 垂直に一様な電場を生成 ドリフトケージ GEM ガスの種類 Ar/CF4/iso-C4H10 (=95:3:2) ガス圧 2 atm (絶対圧) 電場の強さ ~200 V/cm ドリフト速度 ~4 cm/μsec Drift Top -5000V ΔGEM 400V μ-PIC 400V ➢ ゲイン: 5000 ~ 14000 ➢ エネルギー分解能: 24.6% FWHM @31keV 200 電場 252.5 200 20MΩ リング電極 ドリフト電極 μ-PIC GEM TPC容器 耐圧性能: ~2.3気圧 (絶対圧) 重量: ~13kg
16 cm
16 cm
2.6 cm
Pixel Scintillator Allays (PSAs)
PSA (x9)
PMT 読み出し回路 (クリアパルス)
64chマルチアノードPMT (浜松ホトニクス H8500C)GSO (2 r.l.)
4.8 cm
4.8 cm
➢
ピクセルサイズ: 6 × 6 × 26 mm
3➢
ピクセル数: 8×8 = 64 pixels/Array
➢
ピクセル総数: 576 pixels
電荷重心分布
Cs-137 エネルギースペクトル
662 keV
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール後段検出器 (Pixel Scintillator Array)
2020/12/26 (土)
三脚
Webカメラ
400Wh 充電池
(~5時間駆動/個)
TPC
シンチレータ + 回路部
コントロール用PC
~60cm
32cm
ETCC重量 ~34 kg
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール試作型ETCC
2020/12/26 (土)Cs-137 (662keV) 点線源の当立体角イメージ
点線源イメージのエネルギー依存性
20cm-ETCCの基本性能
検出効率 ~1.6×10-4 @Ar2気圧 視野±45°で検出効率 ~1/2 Cs-137 スペクトル エネルギー分解能 ~13% (FWHM @662keV) 10-3 10-4 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 [keV] -60 -40 -20 0 20 40 60 80Zenith angle [degree] 10-5 10-4 -80 検出効率のエネルギー依存性 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 [c oun t/ se c/ ke V ] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 [keV] 検出効率の角度依存性 (662 keV)
距離 ~400m
開口角 ~150° の扇形
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール2019年10月 1F建屋周辺の放射線分布調査
免震重要棟 線量: 10~20 μSv/h 視野中心A 視野中心B2
1
3 4
real time live time dead time
視野中心A 41分32秒 2分29秒 ～94.0% 視野中心B 8分33秒 32秒 ～93.7% 測定地点 3号炉 1号炉 2020/12/26 (土) Webカメラ画像 2号炉
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール
2019年10月測定結果
19年10月30日 免振棟横から1-3号炉を測定
30°100keV~3MeV を積分した等角写像
60° 1 1号炉 2号炉 3号炉 Co u n ts/ se c/ sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV 領域1 領域2 領域3 3 2 2020/12/26 (土) イメージカットスペクトル (視野内の3か所のスペクトル)➢
1号炉は遮蔽壁が無いので低エネルギー (~250keV)
まで散乱ガンマ線が見えている
➢
3号炉は天井，周囲に遮蔽があるため1，2号炉に比べ
662 keV (Cs-137) が散乱ガンマ線より低い．厚い遮
蔽のため 400keV 以下から吸収が見られる.
➢
領域1 のスカイシャインは 200keV 以下まで見えてい
る (ETCCの閾値 ~150keV)．
原子炉を視野に含まない領域 =スカイシャイン 1-2号炉を含む領域 2-3号炉を含む領域視野A
1号炉建屋近傍のCs-137量の変化
➢
1号炉周辺のスペクトルから BGの連続成分を約5度毎
に推定し，Cs-137 の正確な分布を1-2度の精度で判
定可能
➢
ARM ~5度 50ガンマ線で1度以下の位置精度
100keV~3MeVを積分した分布画像 ➢ 1号炉と2号炉の間の上部にCsの強い箇所が集中 ➢ 最も強い領域の線量は画像から約５ｍSv/hと推定 ➢ さらに赤点線の連続成分を差し引くことでより高精度な Cs-137量の見積もりと分布が得られる可能性 ➢ Cs-137ピーク領域の分布: 連続成分があり、スペクトル からわかるCs-137量の明瞭な差は見えにくい 1 1号炉 2号炉 3号炉 4 5 6 7 8 15° 30° 45° 60° 1号炉 2号炉 3号炉 Cs-137ピークを含む 570keV<E<670 keVの画像 Co u n ts/ se c/ sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV C o u n ts/ sec /sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV C o u n ts/ sec /sr /k eV 3 2 2020/12/26 (土) イメージカットスペクトル (1号炉周辺)視野A
視野A
第17回MPGD研究会&第4回Active媒質TPC座談会合同研究会 神戸大学先端融合研究環統合研究拠点コンベンションホール
1-3号炉を含む領域のイメージカットスペクトル
➢ コンプトン散乱を完全に再構成しているため視野に 入るガンマ線のみのスペクトルを取得 ➢ 普通の装置のようなコンプトンエッジなど装置内の コンプトン散乱の影響は除去できる ➢ 他の装置では測定不可能なスカイシャイン等の散乱 ガンマ線のスペクトルを正確に測定可能 ➢ ~300keV で 200ｍ 以上の距離では減衰効果が顕著 ➢ ETCCの画像解析でも 1，2，3 すべて 300keV 以下で急 激な減少が測定されているが，スカイシャインでは 200keV 以下まで観測されているので，確かに空気での 減衰によると考えられる． ➢ 一方，スカイシャインは視線方向の積分であり，測定点 近傍での散乱もあるため 200keV あたりまでスペクトル は増加している．また炉建屋からの 662keV の空気散乱 のシミュレーションと合っている． 1 3 1号炉 2号炉 3号炉 4 5 6 7 8 2 Co u n ts/ se c/ sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV 領域4 (1号炉) 領域5 (2号炉) 領域6 (3号炉) Co u n ts/ se c/ sr /k eV Co u n ts/ se c/ sr /k eV200keV 200keV 200keV
2020/12/26 (土) ガンマ線の空気中の透過性シミュレーション （無散乱ガンマ線数の変化） 100keV~3MeVを積分した分布画像 領域1 (スカイシャイン)
視野A
[m]高線量下での画像モニターの実現
➢ 散乱ガンマ線が後段検出器に入るため反跳電子 は 200keV 以下が優勢 ➢ 200keV以下では σ (光電効果) >> σ (コンプトン散乱)ETCC
偶発事象は一様分布となるが正しく再構成 されたガンマ線は炉建屋方向 (前方) に集中 前段ガス検出器のコンプトン事象選別能力 ◼ 後段検出器 (散乱ガンマ線吸収体)コンプトンカメラ (CC)
◼ 前段，後段ともに固体検出器を使用 高線量下で偶発事象は指数関数的に増大 ➢ 低原子番号ガス使用 ➢ 20keV 程度まで σ (コンプトン) >> σ (光電効果) ◼ 前段検出器: ガス検出器 前段がGAGGやCsIのCCと比較で偶発事象は~3桁減✓ 11月見晴台 40μSv/h 環境で画像化に成功 (X線遮蔽の0.5mm厚鉛シートは使用)
✓ 90％超の不感時間で偶発事象を1割程度に抑制
✓ γ線方向分布から偶発事象と正しい再構成ガンマ線の判定可能 (右下図)
来年度 散乱ガンマ線検出器の改良 ➢ 高速シンチレータ + ピクセル読出検出器 ➢ 一般的なスペクトロメータより高計数率に強い 高速なスぺクトロメータより~1桁高い線量に対応できる可能性+
➢ パルス幅の低減，パルス波形記録，データ転送量拡大 → 最大計数率 ~5倍改善 ➢ トリガー手法改善 ➢ 原理的に 200 μSv/h まで遮蔽無しで動作可能が期待GSO+PMT から HR-GAGG+MPPCに変更
MPPC+読み出し回路 ADC波形 ➢ 4unit 直列接続 ➢ 1 ピクセル(=6×6 mm2) ➢ 64ピクセルを4端読み出し ➢ 合計 576 ピクセル(=64×9) HR-GAGG ➢ 1 ピクセル (=6×6×15 mm3) ➢ 8×8 = 64 pics MPPC と PMTの比較 HR-GAGG と GSO の比較 ΔE/E: 11.6%→7.6% ΔE/E: 8.5%→4% 1イベントごとにシンチヒットの時間情報を取得可能 PMT+従来回路 DPボード MPPC+読み出し回路 ~650g ~2500g ~980g~2kg 軽量化
トリガー方式の改良
Scinti. Hit (out) Scinti. Process (out)
TPC trigger (in)
20μsec
TPC Process (out)
TPC exist (out) 100μsec 11μsec
Scinti. Hit (out) Scinti. Delay (out)
TPC Hit (out)
6μsec
TPC Gate
コインシデンス
TPC Trigger (in) Scinti. Trigger (in)
4μsec 4μsec
➢シンチヒットでDAQスタート，TPCヒットを待ち受ける ➢Scinti Hitあり + TPC Hit なしというイベントが優勢
Scinti Hit : TPC Hit= ~100 : 1 → 不感時間が増加しやすい ➢TPCヒットとシンチヒットでコインシデンスを とってトリガーにする ➢シンチとTPC両方ヒットするイベントのみ取得 → 不感時間低減 ~6μsec 2020/12/26 (土) 8μsec TPC Transfer (in) Scinti. Transfer (in)
= TPCのドリフト時間
スケジュール
2020年度
2021年度
1-3月
4月
12月
1F現地調査
改良版ETCC
5月
6月
7-11月
結果報告
データ解析
視察
測定1
測定2
~4週間
1日
データ解析
システム改良
1日
MPPC + HR-GAGG ➢ 立ち上げ/立ち下げの自動化・高速化 (30分→10分) 補強用治具 ~2kg 装置底板 ~2kg トリガー変更 ガラスμ-PIC 傾斜計 温湿度計 GPSシステム改良点
2021年12月末
英知プログラム
事業期間終了
現地測定完了
予定
➢ 構造の見直し ➢ 小型化・軽量化を実施来年度の調査予定
1F原子炉建屋全域のCs量分布計測
662keVガンマ線による建屋の3DCT画像の撮像
➢ 海面・地面から海水，地下水の地上付近の Cs-137 による散
乱成分と 662keV を測定 (GAGG導入で 4~5%＠662keV と NaI より良いエネルギー分解能) ➢ Cs-137 濃度が数10mBq/Lで 1km 四方を見る場合，24時 間測定が必要． ➢ 1Bq/L (2016年東電資料より) の場合は~5時間
