JP4543195B2

JP4543195B2 - 多重ガンマ線検出による高感度核種分析方法

Info

Publication number: JP4543195B2
Application number: JP2000168638A
Authority: JP
Inventors: 真澄大島; 雄一初川; 岳人早川; 暢輔藤; 伸夫篠原
Original assignee: 独立行政法人日本原子力研究開発機構
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: JP2001235547A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多重ガンマ線検出法を放射性核種又は中性子その他の粒子線或いはガンマ線により放射化された試料中の核種の定性、定量に利用したものであって、
その核種から放出される多重ガンマ線を同時測定して、各核種からのガンマ線対（ペア）の情報を取ることにより、従来のガンマ線測定よりも高分解能で分析するものである。
【０００２】
即ち、本発明は、放射性核種から放出される複数の同時発生ガンマ線を複数のガンマ線検出検出器からなる多重ガンマ線検出装置により同時計数測定して得られる２次元マトリクスを解析する方法であり、これにより複数核種の完全分離と同時分析が可能になった。
【０００３】
即ち、従来の分析法では約１０００分の１の分解能が得られるが、本発明の新しい２次元マトリクスを解析する法では更に１０００分の１である百万分の１の分解能が達成される。これより、いかに多くの核種を含む試料であろうとも核種の完全分離が可能になる。現実にはあり得ないことであるが、これまでに存在が知られている最大２０００−３０００の核種が、加速器・原子炉で同時に作られた場合でも、各々が平均１０本程度のガンマ線を出すので、ガンマ線の総数は最大１万本のオーダーであるが、２次元マトリクス解析法における上記百万分の１の分解能では、これらを同時に定量することが可能になる。
【０００４】
【従来の技術】
従来行われてきた放射能分析は、放射性核種から発せられるガンマ線を、１台のゲルマニウム半導体検出器により測定して得られる一次元のエネルギースペクトルから、エネルギーや半減期の情報に基づいて核種の同定を行っている。このゲルマニウム検出器の分解能は、１ＭｅＶで約１０００分の１である。放射性核種は平均して１０本オーダーのガンマ線を放出するので、少ない核種を含む試料では問題ないが、数十核種を含む試料ではガンマ線の本数は数百本に達し、これらをすべて分離することは不可能になる。特に、弱いガンマ線は他の強いガンマ線に邪魔されて観測することはできない。
【０００５】
また、同様にして、放射性でない試料を加速器や原子炉からの粒子によって放射化し、その試料から発せられるガンマ線を検出し、その強度を測定する事により試料の定性、定量分析を行う事もできる。そこで、中性子放射化分析法は、試料に原子炉からの中性子を照射して放射化し、これを単一の高分解能ゲルマニウム検出器で測定し、得られた一次元スペクトル中のピークを解析し定量を行う方法である。
【０００６】
このような分析は従来より様々な方法により多くの分野で行われており、その中でも上記放射能分析は広く用いられている。特に1960年代にゲルマニウム半導体検出器が開発されてからは、高い分解能で検出できるガンマ線を用いた放射化分析が発達し、環境試料、生体試料、宇宙地球科学的試料など様々な試料中の微量元素の含有量測定が可能となった。
【０００７】
しかし、従来の検出法においては、図１に示されるように、原子炉からの熱中性子照射による放射化試料１から発生したガンマ線を単一のゲルマニウム検出器２で測定し、縦軸をカウント（強さ）、横軸をガンマ線エネルギーとした１次元スペクトル３を作成する。この方法では、試料が多元素を含む場合には複雑なスペクトルになり、求める元素の分離測定は困難な場合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の方法では、混在する他の核種からの妨害を受け易い。運よく他のガンマ線と重ならながった場合でも、多核種の場合ではスペクトル中のバックグランドが高くなり、弱いガンマ線を検出することは困難になる。
【０００９】
よって、使用済み核燃料等の多くの核種を含む試料では妨害となる核種の影響を取り除くために、一般的には化学分離を行う、あるいは核種の半減期によって振り分けるなどの方法が取られる。しかしながら、化学分離には一般的に特殊な技術と手間が必要であるばかりでなく、化学分離の収率を求める必要があり、この操作中に誤差が入り込む可能性がある。又、半減期によって振り分ける方法とは、例えば半減期の長い核種を定量するためにかなりの時間を要し、又その間検出器系を維持する手間も大変である。
【００１０】
これら従来の手法では混在する他の核種からの妨害を受けやすいので、環境試料のように多くの元素が混在している試料では妨害となる核種の影響を取除くために化学分離等を行う必要があり、それに伴い化学分離の収率を求めるために再放射化などの操作を行わなければならないが、化学分離を行う事により多くの技術と手間が必要であり、またこの操作中に誤差が入り込む可能性がある。
【００１１】
また、原子炉から中性子を照射し放射化した試料を、単一のゲルマニウム検出器で測定して得られた一次元スペクトル中のピークを解析し定量してきたが、多くの元素を含む試料の場合には生成放射能の相対強度は一部の核種に偏り、微量元素の同定は困難であり、化学分離を併用することが多く、分離後の回収率の誤差などが最終結果に影響を与えるばかりでなく、化学分析の技術が必要である。
【００１２】
更に、上記中性子放射化分析法でも、一般的に生成放射能の相対強度は一部の核種に偏り、多くの微量元素を同時に分析することは困難であることが多い。例えば生体試料では²⁴Na、⁵⁶Mn、⁴²K、⁸²Br、また地質学的試料では ²⁴Na、⁵⁶Mn、⁴²K、⁴⁶Sc、⁵⁹Feのなどの放射能が強いため、単一の検出器による一次元スペクトルを解析する方法では、他の短寿命核種のピークがこれらに隠れて検出されない。そのため、化学分離により強い放射核種を除いた後に放射線測定を行うなどの必要がある。しかしこのためには化学分析の技術が必要なだけでなく、化学分離を行った後に原子炉において再放射化を行い、目的核種の回収率を求めなくてはならない。さらに化学分離の操作を経る事により分析の精度に影響を与える事も懸念される。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多くの放射性核種が複数のガンマ線を放出している事に着目して、これらを複数のガンマ線検出器からなる多重ガンマ線検出装置により測定して得られる２次元マトリクスを解析することにより、これらの核種を定性、定量する方法を考案した。この方法により、従来の１次元のスペクトルに比べ１０００倍のエネルギー分解能を得ることができた。
【００１４】
本発明の２次元マトリクス法は、試料中の放射性核種から同時に発生した複数のガンマ線を多重ガンマ線検出装置の２台以上の検出器で検出し、得られた２個のガンマ線エネルギーを縦軸と横軸とする２次元マトリクス上に加算し、そのピークを検出する方法であり、１次元スペクトルのバックグラウンドが２次元平面上で局在するために、ほとんどの領域で数カウント以下に押さえられるため、微弱なピークの検出が可能になり、検出感度が上がる。
【００１５】
また、本発明では、化学分離などの人為的操作を必要としないため、計算機によるオンライン化が可能である。つまり予め検出器のエネルギーと検出効率の校正を行っておけば、試料を測定しながら２次元マトリクスを生成し、その位置から核種の種類を特定し、同時に計算機に内蔵した核種毎の核データを参照して、マトリクス上のピークの強度から核種の定量を行い、実時間で結果を表示することが可能になる。当然ながら、半減期の長い核種の定量も高速化される。
【００１６】
同様にして、本発明においては、中性子放射化法により放射化された試料中の核種の定性及び定量分析も可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（１）中性子放射化法により放射化された試料中の核種の定性及び定量分析
複数のゲルマニウム半導体検出器からなる多重ガンマ線検出器を用いて放射化させた試料から発せられる複数のガンマ線を測定し、同時に観測された２本のガンマ線の組み合わせをコンピューターに記録し、これを解析する事により２次元スペクトルを作った。ここから任意のエネルギーを有するガンマ線と同時に観測されたガンマ線のスペクトルを作ると他の核種からのガンマ線にほとんど妨害されないきれいなスペクトルを得る事が出来る。これにより化学分離などの操作を行わなくても共存する核種からのガンマ線に妨害される事無く微量成分からのガンマ線を測定する事ができる。
【００１８】
本発明の検出方法においては、図２に示されるように、原子炉からの熱中性子照射による放射化試料１から同時に発生するガンマ線を多重ガンマ線検出装置４で同時に計数測定し、垂直軸をカウント（強さ）、縦軸及び横軸をガンマ線エネルギーとした２次元マトリックス５を作成する。この方法では、試料中の放射性核種から同時に発生する２本のガンマ線γ₁、γ₂を多重ガンマ線検出装置で同時測定して、１次元スペクトルの代りに２次元マトリックスを作成する。そのために、多核種を含む試料においても化学分離等の処理なしに、１０００倍のガンマ線分解能が達成され、核種の完全分離測定が可能となった。図２にでは、縦軸及び横軸はそれぞれガンマ線エネルギーを表すので、その縦軸にγ₁の値が入り、その横軸にγ₂の値が入ることによって定まった位置で核種の種類が特定でき、また、その位置に示されるピークの高さを垂直軸（カウント）により測定してその核種の存在量が検出される。
【００１９】
又、図３に示されるように、放射化された¹⁵²Ｅｕからは８４１．６ｋｅＶ及び１２１．８ｋｅＶの２本のガンマ線が同時に発生する。この２本のガンマ線を多重ガンマ線検出装置で同時に計数測定を行って２次元マトリックスを作成した。
【００２０】
図３は、図２のように、縦軸及び横軸がそれぞれガンマ線エネルギーを表したもので、その中で特に縦軸を１００から１４０ｋｅＶ、横軸を８２０から８６０ｋｅＶの範囲に拡大している。
【００２１】
図３の下方の拡大図からは、¹⁵²Ｅｕから発生する２本のガンマ線１２１．８ｋｅＶと８４１．６ｋｅＶが同時に記録され、この位置によって核種の種類が特定できた。このようにして、４９元素の最高ｐｐｂ（１０^-9）オーダーの同時定量が可能になった。
【００２２】
本発明においては、多重ガンマ線検出装置は高い検出効率を有するため試料はミリグラムオーダーで足りる。また、非破壊検査のため放射化試料をそのまま測定できるため非常に簡便であり、広範囲の試料にも適応できる。例えば、環境試料や生体試料における微量な金属元素の定量や地球科学あるいは隕石の分析など宇宙科学の分野での利用が期待できる。
【００２３】
更にまた、¹²⁹I（半減期1570万年）や ²⁴⁴Pu（ 8080万年）を用いた年代測定が提案されているが、これらの核種を本方法で分析することにより、年代測定への応用も期待できる。さらに近年、生体内での微量元素濃度と生体機能との関連が明らかになりつつあるが、本方法では広範囲の元素を同時に測定できるため、今まで見逃されてきた微量元素の量を調べて、その効果を新たに研究することが可能になる。
【００２４】
（２）放射性試料中の核種の定性及び定量分析
複数のガンマ線検出器からなる多重ガンマ線検出装置を用いて放射性試料から発せられる複数の同時発生ガンマ線を測定し、そのガンマ線対のエネルギー情報を事象毎にコンピューターに記録し、これを解析して２次元マトリクスを作った。これをマトリクス上にて、あるいは一方の軸に狭いゲートを設定して、１次元スペクトルを切り取った上で、実効的に２次元ピークの強度を測定する。ガンマ線のエネルギーと強度について事前に校正を行っておくことにより、２次元ピークのチャンネルとピーク面積は、エネルギーと強度に変換される。これらを基に、核種の定量が可能になる。
【００２５】
以上の操作は事前に標準線源を測定して検出器の校正を行っておくことにより、オンラインで解析することが可能になる。そのために、予めエネルギーとその強度の判っている標準線源を測定して、検出器毎にエネルギーと検出効率の校正データを作成する。試料を測定しながら検出器のエネルギーを校正して２次元マトリクスを生成する。同時に計算機に内蔵した核種毎の核データを参照して、マトリクス上のピークの強度から検出効率の校正データを基に核種の定量を行い、実時間で結果を表示することが可能になる。当然ながら、半減期の長い長寿命核種の定量も、短寿命核種がなくなるのを待つ必要はなく、分析が高速化される。
【００２６】
以上の発明で使用する多重ガンマ線検出装置は、最低２台以上のガンマ線検出器から構成する。２台の検出器からの信号を速い同時計数回路にて、同時計数事象のみを選別する。その時に、２つの検出器からのエネルギー情報を計算機に取り込む。この情報を基にして、２つのガンマ線の相関を２次元マトリクス上に事象の頻度分布を作る。必ずしも、２次元マトリクスでなくとも、それに代わるものであれば良い。また、多重ガンマ線検出装置の性能は、検出器の台数が多いほど、また個々の検出器の検出効率が高ければ高い程良い。さらにＢＧＯサプレッサーなどと組み合わせると、バックグラウンドを押さえて感度が良くすることができる。
【００２７】
【実施例】
（実施例１）中性子放射化法と組み合わせた微量元素定量法
標準岩石試料を原子炉で中性子照射を行い放射化した試料からのガンマ線を多重ガンマ線検出装置で測定した。約１００ミリグラムの試料を１０分間原子炉で放射化して発せられるガンマ線を約４日間多重ガンマ線測定装置で測定した。
【００２８】
即ち、通産省工業技術院地質調査所の発行している標準岩石試料ＪＢ−１及びＪＰ−１を原研研究炉ＪＲＲ−４で中性子照射を行い、原研東海研究所タンデム加速器施紋の多重ガンマ線検出装置”ＧＥＭＩＮＩ”で１−４日間測定を行った。
【００２９】
ここでは、化学分離等の人為的な操作を行わず、また短寿命の核種の崩壊を待つ必要もなく、照射後即測定を開始し、短時間で、２７核種の元素が同時に定量できた。測定された元素は、ガンマ線の強度からその含有量を計算すると、これまでに得られている文献値と誤差の範囲内で一致した。また、同じ手法で４９元素の同時定量が可能であることを明らかにした。２次元マトリクスではバックグラウンドが大幅に低減するため、微弱なピークの検出が可能になり、存在比１０^-9（１０億分の１）オーダーの核種の定量ができるようになった。
【００３０】
本発明で使用された多重ガンマ線検出装置”ＧＥＭＩＮＩ”とは、ＢＧＯコンプトンサプレッサーとゲルマニウム検出器を組み合わせたアンチコンプトンガンマ線分析器が、低バックグラウンド・高分解能を達成できるので、これを多数組み合わせて球状に配置した装置である。様々な核反応により作られた原子核の高励起状態からのガンマ線を測定して、それらの内部構造を調べるのを主目的として平成１０年７月に完成した。原研東海研タンデム加速器施設での重イオンビームを用いた核分光実験で多くの実績を納めている。
【００３１】
本実施例において、新しい検出法で同時定量可能となった元素（４９種類）は、Ａｇ，Ａｓ，Ｂａ，Ｂｒ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｌ，Ｃｏ，Ｃｓ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｇｄ，Ｇｅ，Ｈｆ，Ｈｇ，Ｉ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｋ，Ｌａ，Ｌｕ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｎａ，Ｎｄ，Ｎｅ，Ｎｉ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｍ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｈ，Ｔｉ，Ｕ，Ｗ，Ｙｂ，Ｚｎであり、その検出限界は１０^-2−１０^-3（重量比）である。
【００３２】
これに対し、従来の放射化分析法（一次元スペクトル）で可能な元素は次の２３種である。
Ａｌ，Ａｒ，Ａｕ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ｄｙ，Ｆ，Ｈｏ，Ｋｒ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｐｄ，Ｐｒ，Ｒｈ，Ｓ，Ｓｒ，Ｔｅ，Ｔｌ，Ｔｍ，Ｖ，Ｘｅ，Ｙ，Ｚｒ
その検出限界は１０^-2−１０^-3（重量比）である。
【００３３】
（実施例２）アクチノイド元素の分析
マイナーアクチノイド核種の核変換基礎データを計ることは、原子力研究にとって重要な基礎研究である。このためにマイナーアクチノイドの定量が必要であるが、これまでは主にアルファ線の測定によるところが大きかった。しかしながら、近傍の核種は似たエネルギーのアルファ線を放出するので高分解能で検出する必要があるが、アルファ線は物質中でのエネルギーロスが大きいので、試料の化学分離を行い、不純物を除いた上で、乾固して薄い線源にする必要があった。
これには特殊な技能が必要であるばかりでなく、時として高い分離効率を得ることは難しかった。
【００３４】
多重ガンマ線検出法においては、多重ガンマ線を発生するという条件はあるものの、これらの問題点は解決され、化学分離なしに高精度の分析が可能になった。事実ＧＥＭＩＮＩを用いた２３７Ｎｐ標準線源の測定において０．０１べクレルの強度まで、完全に他の核種と分離して測定することができた。
【００３５】
【発明の効果】
本発明により、一般に地質学的試料の中性子照射では、²⁴Ｎａ及び⁵⁶Ｍｎからの強いガンマ線が観測されるため微量成分からのガンマ線を測定する事は困難であるが、多重ガンマ線分析法により化学分離を行う事無く同時に２７元素からのガンマ線を観測する事ができた。また測定された元素はガンマ線の強度からその含有量を計算すると誤差の範囲内で標準岩石試料の文献値と一致していた。
【００３６】
このことから本発明が定性分析だけでなく定量分析にも適応できる事がわかる。検出された元素の中でＥｕは僅か４ｐｐｂの含有量であるが、これも化学分離をする事無く他の元素と同時に測定する事ができた。さらに条件が整えば４９元素にこの方法を適用する事ができる。
【００３７】
又、本発明により、一般に多数の放射性核種が存在する場合には、その各々を完全に分離して定量する事は不可能であるが、多重ガンマ線検出法では従来よりも分解能が格段に改善され、いかに多くの核種を含む場合でも、化学分離等の副次的手段を用いることなく、完全分離・完全定量を可能にした。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の放射化試料の検出方法を示す図である。
【図２】本発明の放射化試料の検出方法を示す図である。
【図３】本発明の検出法で作成した２次元マトリックスを示す図である。

Claims

試料中の放射性核種から同時に発生する複数のガンマ線を多重ガンマ線検出装置の２台以上の検出器で同時測定し、
得られた２個のガンマ線エネルギーを縦軸と横軸とする２次元マトリクス上で位置決めすることで核種の種類を特定し、
特定された核種位置でのピーク高さを垂直軸から測定して、当該核種の存在量を検出する、試料中の核種の定性及び定量方法。
複数のゲルマニウム半導体検出機器からなる多重ガンマ線検出器を用いて、放射化させた試料から発せられる２本のガンマ線を測定し、
同時に観測された２本のガンマ線の組み合わせをコンピューターに記録して解析することにより２次元スペクトルを作成し、任意のエネルギーを有するガンマ線と同時に観測されたガンマ線のスペクトルを作成し、２次元マトリクスを生成させる、請求項１に記載の方法。
Ａｇ，Ａｓ，Ｂａ，Ｂｒ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｃｅ，Ｃｌ，Ｃｏ，Ｃｓ，Ｅｒ，Ｅｕ，Ｆｅ，Ｇａ，Ｇｄ，Ｇｅ，Ｈｆ，Ｈｇ，Ｉ，Ｉｎ，Ｉｒ，Ｋ，Ｌａ，Ｌｕ，Ｍｎ，Ｍｏ，Ｎａ，Ｎｄ，Ｎｅ，Ｎｉ，Ｏｓ，Ｐｔ，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｅ，Ｒｕ，Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｅ，Ｓｍ，Ｓｎ，Ｔａ，Ｔｂ，Ｔｈ，Ｔｉ，Ｕ，Ｗ，Ｙｂ，Ｚｎから選択される元素を、１０ ^-2 −１０ ^-3 （重量比）の検出限界で同時定量することができる、請求項１又は２に記載の方法。