Transcript 雷雲電界に起因する制動放射線の 下方放出

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
20 0
もんじゅ
2002.1.3
MP-1
MP-2
MP-3
MP-4
D o se R ate (n G y /h )
16 0
12 0
80
雪雲レーダー
40
1: 45 :0 0
1:48:20
1:51:40
1: 55 :0 0
Tim e
4
D os e R ate (nG y /h)
1997.1.29
10
10
3
M P -1
M P -2
M P -3
M P -4
M S -1
これまでの
最大事象
2
350
2002.12.10
Low Range Monitor (NaI)
High Range Monitor (IC)
300
Dose Rate (nGy/h)
10
250
200
150
100
10
1
4 :2 7 :3 0
4 :3 0 :0 0
4:3 2 :3 0
T im e
もんじゅ構内（１０秒値）
50
18:16:00
18 :1 8: 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
E th  280  P [ atm ] kV / m 
電界強度の比較
E le c tric F ie ld (k V /m a t 1 a tm )
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
雷雲内
100
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。
2
F lux(/m .sec.S r.G eV )
10
1000m
10
10
10
10
7
E le c tro n
P o s itro n
P h o to n
5
3
1
-1
［文献値より作成］
-3
10
0 .0 0 1
0 .0 1
1
10
1
E n e rg y (G e V )
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
1 2 ,0 00
＋＋
－
－
2 P E -F ie ld
＋
＋
－
－ー
3 P E -F ie ld
1 0 ,0 00
16,000
14,000
8 ,0 0 0
6 km
＋ ＋
A ltitu d e (m )
0~10km
（/500m)
0 .1
12,000
10,000
8,000
6 ,0 0 0
4 ,0 0 0
6,000
4,000
2 ,0 0 0
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
-3 0 0
-2 0 0
-1 0 0
0
100
200
300
E lec tric F ield S tre n gth (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
Total Photon Flux (AU)
10
10
10
-1
しきい値（Eth）を超えた
領域で制動放射線発生
-2
-3
3 P -E F /W in te r
2 P -E F /W in te r
3 P -E F /S u m m e r
E th (kV /m )
-E th (kV /m )
1 0,0 0 0
n o E - F ie ld
2 P E -F ie ld /W in te r
3 P E -F ie ld /W in te r
10
-4
0
1000
2000
3000
4000
8 ,0 0 0
5000
Spectrum at 1 km High (photons/M eV)
光子束の高度分布
10
10
10
10
-1
n o E -F ie ld
2 P E -F ie ld
3 P E -F ie ld
-2
A ltitu d e (m )
A ltitu d e (m )
夏季雷では発生し
ても地上に達しない
6 ,0 0 0
4 ,0 0 0
冬季雷・３極構造
のときのみ発生
-3
2 ,0 0 0
-4
0
10
-3 0 0 -2 0 0 -1 00
-5
0 .1
1
0
100
200
300
10
P h o to n E n e r g y (M e V )
光子のエネルギースペクトル（１ｋｍ）
E le ctric F ie ld S tre n g th (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


2
10
10
10
10
10
m u o n+
p h o ton
e le ctron
p o sitron
0 .1
-1
-1
F lu x [(c m s sr G e V /c) ]
10
高電界領域
F lu x (A .U .)

-2
-3
0.0 1
0 .00 1
-4
0.0 0 01
-5
0
4
6
8
10
12
A ltitu d e (m )
-6
0 .1
2
1
10
100
M o m e n tu m (G e V /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。