2004年12月18日
ICRR共同利用研究会
雷雲中における放射線強度
変動に関する研究
核燃料サイクル開発機構 敦賀本部
鳥居 建男
研究の背景
日本海沿岸において環境放射線測定機器が、冬季雷活
動時に限って通常の変動範囲を大幅に超える放射線レベ
ルを観測されることがある。
《もんじゅ周辺での例》
 ノイズとは考えにくい事象も観測されることがある。
 環境放射線モニタ(NaI検出器)の指示値上昇
 上昇するまでの立ち上がり時間が数10秒
 設置位置により上昇開始のタイミングにずれ
 熱ルミネセンス線量計(TLD)の線量上昇
 電磁ノイズの可能性なし(電源を用いない)
 設置場所により上昇の度合いに傾向が見られる

これまでの主な観測事例
200
Dose Rate (nGy/h)
2002.1.3
もんじゅ
MP-1
MP-2
MP-3
MP-4
160
120
80
雪雲レーダー
40
1:45:00
1:48:20
1:51:40
1:55:00
Time
104
3
10
MP-1
MP-2
MP-3
MP-4
MS-1
これまでの
最大事象
2
10
350
2002.12.10
Low Range Monitor (NaI)
High Range Monitor (IC)
300
Dose Rate (nGy/h)
Dose Rate (nGy/h)
1997.1.29
250
200
150
100
101
4:27:30
4:30:00
4:32:30
Time
もんじゅ構内(10秒値)
50
18:16:00
18:18:40
18:21:20
18:24:00
18:26:40
Time
沓モニタリングステーション(10秒値)
雷活動による放射線測定器の指示値の変動






冬季雷発生時にのみ発生
高レンジモニタ(電離箱検出器)だけでなく、低レンジモニタ
(NaI検出器)の指示値も上昇する。
 NaI検出器は電磁ノイズの影響を受けにくい
平常時と比べて数倍から10倍程度の上昇が多い
 最大は100倍の上昇を示した(1997.1.29)
モニタの通過率(エネルギー指標)も上昇する
 高エネルギー側の計数率が多い
持続時間は1分程度である
 立ち上がり時間は30秒程度
まれにTLDも線量上昇を示す
雷活動時の放射線変動の特徴


冬季雷活動時のみに発生
個々の雷放電との関係低い
モニタ指示値の立ち上がり時間:数10秒程度
モニタ位置により立ち上がり開始時間にズレ(10~20秒)

上方より放射線入射の可能性
TLDの設置位置による違い、建物内モニタの指示値変動


影響エリアは数100m程度が多い
モニタリングポスト1~3基程度が指示値変動
放射線のエネルギーは数MeV程度
雷雲の高電界による荷電粒子加速の可能性
大気中の荷電粒子
雷雲電界による荷電粒子の加速→制動放射線の発生
考えられるエネルギーの高い荷電粒子



Rn 子孫核種(β線)
≦3~4MeV
2次宇宙線(電子・光子)
数MeV~数10GeV
2次宇宙線
+++++++
2次宇宙線(ミュオン)
数GeV ≦
-------
雷雲中での放射線挙動を
モンテカルロ計算により解析
地上付近での
放射線強度変動を求める
+++
Rn
研究の目的・目標
日本海沿岸で冬季雷活動に起因すると考えら
れる放射線強度変動の原因を解明する。

雷活動に伴う放射線変動等の測定調査
 放射線強度変動時の放射線エネルギー分布等から線源を
明らかにする。

雷雲中での放射線挙動のシミュレーション
 雷雲を模擬した電界中での放射線挙動をモンテカルロ計算
により放射線挙動を調査解析する。
モンテカルロ計算(EGS4)による電子・光子の飛跡
(一様電界での計算例)
3
 高度2km(密度1.0066 kg/m )

入射電子:10MeV、25個
光子
電子
陽電子
1 km
0 kV/m
220 kV/m
高度2kmでは
230 kV/mで
電磁シャワー
の発生
逃走電子の生成
180 kV/m
230 kV/m
Eth  280  P [atm ] kV / m
電界強度の比較
Electric Field (kV/m at 1 atm)
10
4
絶縁破壊
3 MV/m
(平行平板電極)
10
3
逃走電子
の生成
<280 kV/m
100
雷雲内
10
地上電界
(雷雲通過時)
1
0.1
静穏時
~100 V/m
絶縁破壊電界と雷雲内電界
(観測値)のズレ:約1桁
《原因未解明》
逃走電子の生成:
雷雲内電界で十分に起こり得る
雷雲電界を模擬し
逃走電子の生成・
制動放射線発生
のシミュレーション
• 冬季雷雷雲をモデル化
• 2次宇宙線の入射
• モンテカルロ計算実施
雷雲電界中での制動放射線の下方放出
シミュレーションの概要:
雷雲電界中に2次宇宙線が入射した場合の
電子束・光子束の高度変化を計算。
Flux(/m2.sec.Sr.GeV)
107
1000m
Electron
Positron
Photon
5
10
103
101
10-1
[文献値より作成]
-3
10
0.001
0.01
101
1
Energy (GeV)
10~15km
(/1km)
上空6kmにおける宇宙線の
エネルギースペクトル
(電子・陽電子・光子)
入射線源項
12,000
++
-
-
+
+
-
-ー
14,000
6 km
+ +
3P E-Field
2P E-Field
10,000
16,000
8,000
Altitude (m)
0~10km
(/500m)
0.1
12,000
10,000
8,000
6,000
4,000
6,000
4,000
2,000
2,000
0
2 10-4
EGS4における雷雲電界および
入射線源(2次宇宙線)のモデル化
6 10-4
1 10-3
1.4 10-3
Density (g/cm3)
大気の密度分布
(US Standard Atmos.)
0
-300 -200 -100
0
100
200
300
Electric Field Strength (kV/m)
各ゾーンのパラメータとして使用
する電界強度の高度変化の例
雷雲中での制動放射線と光子束分布
-1
Total Photon Flux (AU)
10
しきい値(Eth)を超えた
領域で制動放射線発生
10-2
10-3
3P-EF/Winter
2P-EF/Winter
3P-EF/Summer
Eth (kV/m)
-Eth (kV/m)
10,000
no E-Field
2P E-Field/Winter
3P E-Field/Winter
10-4
0
1000
2000
3000
4000
8,000
5000
Spectrum at 1 km High (photons/MeV)
光子束の高度分布
10-1
no E-Field
2P E-Field
3P E-Field
-2
10
Altitude (m)
Altitude (m)
夏季雷では発生し
ても地上に達しない
6,000
4,000
冬季雷・3極構造
のときのみ発生
2,000
-3
10
-4
10
0
10-5
0.1
-300 -200 -100
1
10
Photon Energy (MeV)
光子のエネルギースペクトル(1km)
0
100 200 300
Electric Field Strength (kV/m)
電界強度の高度分布
モデル化した雷雲中での放射線の飛跡
6km
冬季雷(3極構造)
冬季雷(2極構造)
夏季雷
冬季雷(3極構造):地上付近での顕著な上昇が見られる
冬季雷活動時に地上で観測される放射線量率の上昇は
3極構造の雷雲(成熟期初期)の電界分布により発生する
宇宙線ミュオンの影響解析結果(Geant4)
高電界領域で電子・光子束の増加
ミュオンはほとんど変動なし
雷雲中の粒子束から
ミュオンの影響大



高電界領域
muon+
photon
electron
positron
0.1
-1
2
Flux (A.U.)
-1
Flux[(cm s sr GeV/c) ]
10
-2
10
-3
10
0.01
0.001
10-4
0.0001
10-5
0
0.1
4
6
8
10
12
Altitude (m)
-6
10
2
1
10
100
Momentum (GeV/c)
宇宙線ミュオンのスペクトル
[S. Coutu et al., Phys. Rev. D 62, 032001 (2000)]
宇宙線ミュオン(μ+)を上空12kmから下方に
放出した場合(冬季雷の電界分布を想定)
観測による線源の特定

冬季雷での観測
 冬季雷;高電界領域の高度が低い(~1,2km)
 日本海沿岸;もんじゅ周辺での観測(現在観測中)

夏季雷では
 夏季雷;高電界領域の高度は高い(~4,5km)
 平地では難しいが、山岳地域では観測される可能性あり。
 名大STE研の観測例あり。
乗鞍観測所での観測(2004.7.15~9.12)
雷雲からの放出放射線の観測

入射方向分布の測定
 飛来方向検出器



PSFを用いたTOF型検出器の開発
検出エネルギー:約300keV以上
エネルギーと強度変動の測定
 3”円筒型NaI検出器

エネルギー:100keV~10MeV
 27cmφ球形プラスチックシンチレーション検出器

エネルギー:1MeV~100MeV
NaI検出器
Pl.Sci.検出器
線源位置の特定=放射線飛来方向検出器の製作
 放射線源の方向、時間変動を把握するための検出器の開発
 シンチレーション光ファイバー(PSF)に飛行時間(TOF)法と
コリメータ板を組み合わせた放射線位置検出器を採用
PMT
γ線
PMT
薄い鉛板で
コリメート
PSF
PA
光
PA
CFD
Delay
CFD
Stop
TAC
Start
MCA
検出系が簡単。モジュール類少ない。
X-Y方向の2系統で2次元分布を測定
放射線飛来方向検出器の特性
Y軸
350
0度
30度
60度
90度
120度
180度
210
240
270
300度
330度
150度
300
250
counts
200
150
100
PSF
50
BG測定
0
500
700
900
ch
1100
1300
1100
X軸
Y軸
peek channel
1000
900
800
線源(Cs-137)を検出器の外側斜め45°
から入射させたときの特性試験
700
0
90
180
角度(度)
270
ピークチャンネルの変位
360
放射線飛来方向の測定
冬季のもんじゅ構内での測定
エネルギーと強度変動の測定

3”NaI検出器と27cmφプラスチックシンチレーション
検出器でPHAとMCSの同時計測
 PHA:1024
ch×2、120sec (time int.)
 MCS:6 sec積算値、4 ch(2 ch×2)
また、補助的に以下の測定器を設置



大面積γ線モニタ
ミュオンカウンタ
ラドン・モニタ
大面積モニタ
μカウンタ
ラドンモニタ
測定結果(放射線飛来方向検出器)
PSF部分



300sec毎に計測
全体として計数が上昇する分布が得られることもあったが、
特定の方向の計数が上昇することはなかった。
併設した大面積γ線モニタ(PS検出器、1 sec毎の計数測定)
でも短時間の指示値上昇は見られなかった。
測定結果
3 hr
NaI検出器
PS検出器
NaI:0.01~10MeV
NaI:8~10MeV
PS:1~100MeV
PS:50~100MeV
PHA波高分布

MCS時間変動
低エネルギー領域で数時間程度の変動が見られるのみ
測定結果のまとめ・今後の課題





今期(2004年夏)、乗鞍観測所で得られた放射線強度の
変動は、ラドン子孫核種のレインアウト・ウォッシュアウトに
よると考えられるもののみであった。
今回使用した検出器では、雷雲活動によると考えられる変
動は見られなかった。
冬季雷での観測とともに夏季雷(乗鞍観測所)での観測を
継続したい。
観測にあたり測定器の感度、エネルギー範囲等計測条件
の見直しも検討する。
電界強度の同時計測も行う。
ダウンロード

雷雲電界に起因する制動放射線の 下方放出