放射性核種識別装置

放射性核種識別装置（ RIDまたはRIID）は、放射性物質の検出と識別に使用される小型で軽量なポータブルガンマ線スペクトロメータです。[ 1 ] RIIDはポータブルであるため、医療および産業用途、フィールドワーク、地質調査、国土安全保障の第一線対応者、[ 2 ] [ 3 ]環境モニタリングおよび放射線マッピング、および放射性物質の識別を必要とするその他の産業に適しています。

バークレー・ニュークレオニクス社のSAM 950放射線同位体識別装置

ANSI要件

RIIDは、 IEEE/ANSI N42.34に定められた要件を満たすように設計されています。これらの規格には、耐水性、耐衝撃性、広いガンマ線エネルギー範囲、ガンマ線および中性子線源の検出、自動システム校正、温度安定化などが含まれます。[ 4 ]これらの装置には、標準同位体リストを含む特定のANSIライブラリが搭載されています。[ 5 ]さらに、ほとんどのRIIDは医療用ライブラリと産業用ライブラリの両方を備えています。特定のユーザーの特定の用途に対応するために、カスタムライブラリを追加することもできます。

検出器

ほとんどのRIIDは、様々なタイプとサイズのシンチレーション検出器を使用しています。 [ 6 ] [ 7 ]最も一般的なタイプの検出器は、タリウムで活性化されたヨウ化ナトリウムです。解像度が向上し、バックグラウンドが低く、熱中性子を検出できる他のタイプの検出器も容易に入手できます。ゲルマニウム検出器（他のタイプの検出器を含む）の相対効率は、標準的な3×3ヨウ化ナトリウム検出器（相対効率100%を表す）と頻繁に比較されます。様々な測定結果から、臭化セリウム（CeBr3 ）はヨウ化ナトリウムと比較して効率と解像度が向上し、バックグラウンド放射線も比較的低いことが示されています。[ 8 ]

歴史

1932年のジェームズ・チャドウィックによる中性子の発見は、原子核の本質的な性質を確立するのに役立ちました。[ 9 ]中性子は荷電粒子ではないので通常は電離を引き起こさないため、中性子の検出には特殊な環境が必要です。しかし、中性子が中性子断面積の大きい核種と相互作用すると、中性子に対する応答が起こる可能性が高くなります。中性子検出器の材料として一般的に使用される核種は、ヘリウム3、リチウム6、ホウ素10、ウラン235です。[ 9 ]検出器の材料は、中性子の運動エネルギーを 減らす（中性子を減速させる）減速材に囲まれています。減速された中性子は一般に熱中性子と呼ばれ、[ 10 ]対象物質と相互作用する確率が高くなります。  

現在使用されている中性子検出器の中で最も一般的なものは次のとおりです。

ヘリウム3ガス充填比例検出器

3 Heは1939年に中性子検出器として初めて提案されました。[ 11 ] 天然ヘリウム（主にヘリウム4）のサンプルが発見されるまでは、放射性同位体と考えられていました。ヘリウムは地殻のすぐ下に存在し、その割合は4 Heの100万原子あたり3 Heの300原子です。[ 12 ]

電荷がなければ、中性子と原子電子の相互作用は不可能です（X線、ガンマ線、電子線、ベータ線検出器など）。そのため、原子核との相互作用に頼ることになります。

n + 3 He 反応はエネルギー保存則に従って以下のように示されます。

                                  n + 3 He → 3 H + p + 764 keV

764 keV のエネルギーは、陽子の運動エネルギー 573 keV とトリトン（トリチウムイオン）の運動エネルギー 191 keV の合計です。このエネルギー（電荷）は娘核種として収集され、熱中性子の 764 keV エネルギーに比例する出力パルスを生成します。3 He は、熱中性子を吸収して反応し、1 H 陽子と3 H イオン（トリチウム）を生成する際に、効率的な中性子検出器となります。ガンマ線に対する感度はごくわずかであるため、非常に有用な中性子検出器となります。残念ながら、3 Heの供給は、トリチウム（半減期は 12.3 年）の崩壊による副産物としての生成に限られています。トリチウムは、核兵器のブースターなどの兵器プログラムの一環として、または原子炉の運転による副産物として生成されます。[ 13 ] そのため、これらの検出器の価格は入手性が限られているためやや高めとなっている。

リチウム6中性子検出器

中性子検出用のシンチレーション6リチウムガラスは1957年に初めて報告されました。[ 14 ]しかし、パシフィック・ノースウエスト国立研究所 による大きな進歩は1990年代初頭になってからでした。これらの新技術は当初機密扱いでしたが、1994年に解除されました。[ 14 ]

シンチレーションガラスファイバーは、6リチウム（Li）イオンとセリウムイオンをガラス組成物に組み込むことで機能します。6リチウム（ Li）は熱中性子吸収断面積が大きいため、この反応によりトリチウムイオン、アルファ粒子、そして運動エネルギーが生成されます。生成されたイオン化はセリウムイオンに伝達され、波長390～600nmの光子が放出されます。この現象により、吸収された中性子1個につき数千個の光子からなる閃光が発生します。ガラスファイバーはシンチレーション光の導波路として機能し、PMTに結合されます。その後、パルス波形弁別（PSD）によってガンマ線と中性子の事象が分離されます。

CLYC検出器では、リチウム6リチウムとの同様の反応が中性子検出に利用されています。[ 15 ] CLYC結晶は95%濃縮リチウム6リチウムを使用し、セリウムイオンがドープされています。この検出器は、熱中性子に対して3MeV以上の単エネルギーパルスを生成します。このガンマ線/中性子分離は、PSDとアルゴリズムの改良によってさらに強化されています。CLLBCのような他の検出器も利用可能で、20mR/h以上のガンマ線照射場まで優れたガンマ線分解能と中性子分離を提供します。一部の検出器は高速タイミング（約60ns）を備えているため、広いダイナミックレンジの計数率を実現できます。

同位体同定

ガンマ線は1900年にフランスの化学者ポール・ヴィラールがラジウムからの放射線を観察して初めて発見され、研究されました。[ 6 ]しかし、ガンマ線の最初の定量分析は1914年にラザフォードとアンドラーデによって行われました。この最も初期の技術は、岩塩結晶を使用した回折分光法によって達成されました。[ 16 ]

結晶回折はガンマ線エネルギー分析における重要かつ先駆的な取り組みとみなされているが、様々な放射性核種を正確に定量・同定する手段には至っていない。ガンマ線分光法が実用化されるのは、それから数十年後のことである。  

ガンマ線分光法

放射性核種分析用の分光計システムは、光子検出器と、様々なエネルギーイベントを分類し、データを記録・表示する手段を含む関連電子機器（増幅器やパルス整形器など）で構成されています。これらのイベントは分類され、光子エネルギーの関数としてイベントの強度を示すスペクトル（ヒストグラム）が生成されます。

1948 年のヨウ化ナトリウムシンチレータ[ 6 ]とそれに続く他の検出器の登場は、分光法に役立つものとなった。光子検出器とマルチチャンネルパルス高分析装置 (MCA) [ 17 ]は、1 つ以上の放射性核種のパルス高スペクトルを生成するために必要な主要なツールとなった。まず、アナログパルスの振幅に比例するデジタル数値を導出する必要がある。これは、MCA の主要部分であるアナログ/デジタル変換器 (ADC) で実行される。長年にわたり、いくつかの線形で高速な ADC が開発されてきた (例: Wilkinson)。[ 17 ] 最初の MCA の 1 つは、1950 年代にカナダ原子力庁の Chalk River 施設で Fred Goulding によって開発された。この MCA は「キックソーター」と呼ばれ、優れた線形性と 100 チャンネルを誇っていた。グールディングは後にローレンス・バークレー研究所（1959年）で働き、初期の核計数技術の一部をバークレー研究所とリバモア研究所に持ち込んだ。後年、MCAは目覚ましい進歩を遂げ、16Kチャンネル分析器が一般的になった。核検出器の改良によりエネルギー分解能が向上し、核科学が進歩した。1960年代初頭には、エネルギー分解能に優れたゲルマニウム（Ge）検出器が開発されていた。この研究は、高純度でより大きなインゴットに重点を置いて続けられた。これらの検出器は液体窒素温度まで冷却されるため、常温検出器の進歩は、放射性同位体識別装置（RIID）と呼ばれる小型で携帯可能な機器に必要不可欠であった。新しい高解像度シンチレータ[ 6 ]により、国土安全保障や放射性同位体の分光識別を必要とする他の多くの用途でのツールとしてのRIIDの機能が向上した。

追加機能

一部のRIIDには、ANSI規格では要求されていない追加機能（特殊核物質（SNM）の検証用外部プローブなど）が搭載されています。一例として、アルファ線およびベータ線の検出に使用される外部パンケーキプローブが挙げられます。

参考文献

  1. ^ 「携帯型放射性核種識別装置（RID）| 国土安全保障省」www.dhs.gov . 2024年2月3日閲覧。
  2. ^ 「携帯型放射性核種識別装置の評価 | 国土安全保障省、2019年2月」(PDF) www.dhs.gov。
  3. ^ 「非侵入型検査（NII）ファクトシート｜米国税関・国境警備局」 www.cbp.gov . 2020年3月13日閲覧。
  4. ^ 「IEEE Standards Association」 . IEEE Standards Association . 2024年2月3日閲覧。
  5. ^ 「携帯型放射性核種識別装置（RID）」化学・生物・放射線・核・爆発物技術インデックス、2014年4月。 2024年2月3日閲覧。
  6. ^ a b c d「ガンマ分光法におけるシンチレーション検出器の歴史、2020年11月」 www.berkeleynucleonics.com 2020年11月17日。
  7. ^ノール、グレン・F. (1989).放射線の検出と測定（第2版、第9版[印刷]）. ニューヨーク：ワイリー. p. 662. ISBN 978-0-471-81504-4。
  8. ^ 「CeBr3の性能」 www.berkeleynucleonics.com 2020年4月30日。
  9. ^ a b「2020年12月3日 - 中性子検出の歴史 | Berkeley Nucleonics Corporation」 www.berkeleynucleonics.com 2020年12月3日. 2021年8月16日閲覧。
  10. ^ 「熱中性子｜核反応、核分裂、吸収｜ブリタニカ」 www.britannica.com 2024年2月3日閲覧。
  11. ^ 「2020年12月3日 - 中性子検出の歴史 | Berkeley Nucleonics Corporation」 www.berkeleynucleonics.com 2020年12月3日. 2024年2月3日閲覧。
  12. ^ De Temmerman, Greg (2021-06-16). 「ヘリウムバブル：ヘリウム3燃料核融合の展望」 . Joule . 5 (6): 1312– 1315. doi : 10.1016/j.joule.2021.05.003 . ISSN 2542-4351 . 
  13. ^ US EPA, OAR (2015-04-15). 「放射性核種の基礎：トリチウム」 .米国環境保護庁. 2024年2月3日閲覧。
  14. ^ a b「2020年12月3日 - 中性子検出の歴史 | Berkeley Nucleonics Corporation」 www.berkeleynucleonics.com 2020年12月3日 . 2024年2月3日閲覧。
  15. ^ Pérez-Loureiro, David; Kamaev, Oleg; Bentoumi, Ghaouti; Li, Liqian; Jewett, Cybele; Thompson, Martin (2021-10-01). 「核物質検出のためのCLYC-6およびCLYC-7シンチレータの評価」 .核物理研究における計測機器および方法 セクションA：加速器、分光計、検出器および関連機器. 1012 165622. Bibcode : 2021NIMPA101265622P . doi : 10.1016/j.nima.2021.165622 . ISSN 0168-9002 . 
  16. ^ 「2020年12月23日 - ガンマ線分光法の進化 | Berkeley Nucleonics Corporation」 www.berkeleynucleonics.com 2020年12月22日 2024年2月3日閲覧。
  17. ^ a bノール、グレン（1989年）『放射線の検出と測定』第2版、ワイリー・アンド・サンズ社、ジョン・スミス著、p.662、ISBN 9780471815044。
  • IEC 62327:2006 – 放射線防護計測機器 – 放射性核種の検出および識別、ならびに光子放射線からの周囲線量当量率の表示のための手持ち式計測機器。
  • R. Arlt他「放射性核種識別器の性能評価のための半経験的アプローチ」、核科学シンポジウム会議記録（NSS/MIC）、2009 IEEE
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