Remote alpha/beta measurement system with support vector machine algorithm

森下 祐樹; 宮村 浩子; 佐藤 優樹; 松原 潤*; Sumali, B.*; 満倉 靖恵*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, p.170368_1 - 170368_16, 2025/03

https://doi.org/10.1016/j.nima.2025.170368

原子炉施設の廃止措置には、アルファ線放出核種(Pu、Am、Cmなど)やベータ線放出核種(Cs、Sr-Yなど)を含むさまざまな放射性核種が存在するため、作業員に重大な内部被ばくリスクをもたらすという課題がある。従来の測定法では、複数の測定器が必要であり、特に高ガンマ線環境では時間がかかる。これらの問題に対処するため、我々は、アルファ粒子とベータ粒子の同時検出を可能にする、シリコン光電子増倍管とスチルベンシンチレータ検出器を統合した遠隔アルファ・ベータ識別測定システムを開発した。本研究では、さらに機械学習技術、特にサポートベクターマシン(SVM)を組み込んで自動識別を行い、ユーザー定義の閾値の必要性をなくし、一貫した操作条件を確保した。このシステムは既知の放射線源でテストされ、アルファ粒子とベータ粒子に対して96%以上の分類精度を示した。また、移動中の測定でも効果的に汚染源が特定され、リアルタイム分析が可能であることが確認された。この革新的なアプローチは、放射線の安全性と原子力廃止措置作業の効率性を高め、人の立ち入りが制限されている環境では特に有益である。

Development of a method for distinguishing alpha particles from other types of radiation using a high-resolution alpha imager

森下 祐樹; 佐川 直貴; 藤澤 真; 黒澤 俊介*; 笹野 理*; 林 真照*; 田中 浩基*

Radiation Measurements, 181, p.107371_1 - 107371_5, 2025/02

https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2024.107371

電子増倍電荷結合素子(EMCCD)カメラを使用して開発された高解像度アルファイメージャーに対するさまざまな種類の放射線の影響を調査した。このイメージャーは、もともと廃止措置現場でPu酸化物粒子からのアルファ粒子を視覚化するために開発された。ベータ粒子、ガンマ線、中性子などの他の種類の放射線も存在する。この研究の目的は、これらの背景放射線がイメージャーに与える影響を調査し、アルファ粒子と他の種類の放射線を区別する方法を開発することである。ガンマ線と中性子を測定すると、EMCCDカメラのセンサーはガンマ線と中性子による高強度の信号を生成した。これらの放射線は、画像処理によって識別された。画像の値は2値化され、findContours関数が適用されてアルファ粒子スポットの数をカウントした。結果は、強度の違いを使用してアルファ放射線とガンマ(中性子)放射線を区別できることを示した。この方法は、廃止措置現場でのアルファ粒子の視覚化に役立つ。

Development of contamination detection system combined with various remote devices

森下 祐樹; 宮村 浩子; 佐藤 優樹; 大浦 正利*

Radiation Measurements, 171, p.107064_1 - 107064_7, 2024/02

https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2024.107064

アルファおよびベータ汚染位置の検出は、核施設の除染にとって重要である。廃炉現場の高線量率環境では、作業員による直接の汚染測定は困難である。そこで、新しいシンチレータベースの検出器を用いた遠隔自動汚染測定システムを開発した。50mm厚さ100mのYAlO(Ce)(YAP:Ce)シンチレータにフラットパネル型マルチアノード光電子増倍管を結合させた。検出器はロボットの下部に下向きに設置された。エネルギー測定機能があり、エネルギー測定によりアルファ粒子とベータ粒子およびRnアルファ粒子を識別できる。エネルギー情報を使用すると、アルファ粒子とベータ粒子を同時に識別し、マッピングすることができる。さらに、ゆっくりと動くロボットを使用すると、1回の測定で統計的に十分なカウントを取得できるため、アルファ粒子のみを使用して表面汚染密度を評価できる。遠隔自動汚染測定システムは、作業員が立ち入ることができない環境における汚染分布の可視化に役立つ。

高濃度空気中放射性物質のモニタリングのための可搬形線ダストモニタの開発

佐川 直貴; 藤澤 真; 細見 健二; 森下 祐樹; 高田 千恵

保健物理(インターネット), 58(3), p.135 - 140, 2023/11

https://doi.org/10.5453/jhps.58.135

作業環境中の空気中放射性物質濃度は、作業者の内部被ばくの防護(呼吸保護具の選定)や線量評価のために重要な測定値である。福島第一原子力発電所の廃炉作業のように空気中放射性物質濃度が10Bq/cm(Srの空気中濃度限度の約30倍相当)を超えることが想定される作業環境を連続的に監視することを目的として、超極薄のプラスチックシンチレータを用いた高濃度用可搬形線ダストモニタを開発した。試作機による性能試験の結果から、開発した可搬形線ダストモニタは、1Bq/cmの空気中放射性物質濃度における連続モニタリングが可能であると評価した。

A Phoswich alpha/beta detector for monitoring in the site of Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

森下 祐樹; 高崎 浩司; 北山 佳治; 田川 明広; 柴田 卓弥; 星 勝也; 金子 純一*; 樋口 幹雄*; 大浦 正利*

Radiation Measurements, 160, p.106896_1 - 106896_10, 2023/01

https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2022.106896

福島第一原子力発電所のアルファおよびベータ汚染をリアルタイム弁別測定するためのPhoswichアルファ/ベータ検出器を開発した。検出器は、アルファ線とベータ線を検出する2層のシンチレータ(プラスチックシンチレータ及びGPSシンチレータ)で構成した。パルス波形弁別(PSD)法を使用して、高ベータ線および高ガンマ線環境でアルファ線をリアルタイムを弁別測定できた。さらに、この検出器は、最大9.0mSv/hのバックグラウンド線量下でアルファ線を識別することができた。

Plutonium dioxide particle imaging using a high-resolution alpha imager for radiation protection

森下 祐樹; 黒澤 俊介*; 山路 晃広*; 林 真照*; 笹野 理*; 牧田 泰介*; 東 哲史*

Scientific Reports (Internet), 11(1), p.5948_1 - 5948_11, 2021/03

AA2020-0761.pdf:1.59MB

https://doi.org/10.1038/s41598-021-84515-z

原子力施設内で二酸化プルトニウム粒子を吸入することによる作業者の内部被ばくは、放射線防護の観点から重要な問題である。核施設の作業現場において、内部被ばく評価のための二酸化プルトニウム粒子の空気力学的直径の放射能中央値(AMAD)をリアルタイム測定するため、ZnS(Ag)シンチレータ,光学顕微鏡、及び電子増倍CCD子カメラを用いた高分解能イメージャーを開発した。開発したイメージャーを用い、実際の二酸化プルトニウム粒子を測定し、リアルタイムに個々の線の位置を特定することができた。複数の線の平均の空間分解能を評価したところ16.22.2umFWHMであった。また、二酸化プルトニウム粒子の空間分解能は、二酸化プルトニウム粒子とZnS(Ag)シンチレータの間の距離に起因して302.74.6umFWHMであった。線の影響は無視でき、線と識別できた。測定した計数率から二酸化プルトニウム粒子の等価粒径を計算することができた。これらの結果から、開発したイメージャーが原子力施設の作業現場でのリアルタイムの二酸化プルトニウム粒子測定に有効であることが示唆された。

Development of a GdSiO (GPS) scintillator-based alpha imaging detector for rapid plutonium detection in high-radon environments

森下 祐樹; 井崎 賢二; 金子 純一*; 山本 誠一*; 樋口 幹雄*; 鳥居 建男

IEEE Transactions on Nuclear Science, 67(10), p.2203 - 2208, 2020/10

https://doi.org/10.1109/TNS.2020.3014997

GdSiO(GPS)シンチレータベースの線イメージング検出器を開発し、実際のプルトニウム(Pu)粒子とRn子孫核種を測定することにより、Rn子孫核種存在下でのPu粒子検知の有効性を実証した。GPSシンチレータプレートの外形寸法は55cmで、シンチレータ層は厚さ3mmの高透明ガラス上に構成され、シンチレータ層の厚みは約50ミクロンであった。シンチレータプレートは、位置感知型光電子増倍管にシリコーングリースで光学的に結合した。開発した線イメージング検出器は良好な感度の均一性を示した。Pu粒子の放射能を検出器上の14か所の異なる位置で評価した。測定した線のカウントから放射能は正確に評価され、その差異は6%以内となった。Pu同位体の線エネルギー領域にエネルギーウィンドウを適用することにより、ラドン222子孫核種のカウントを65.3%減少することができた。Pu/Rn子孫放射能比は1/51であったが、Pu粒子は5分測定でRn子孫核種から識別された。したがって、開発した線イメージング検出器は、高いラドンバックグラウンド環境下でのでのPu粒子の汚染のモニタリングに有効である。

Evaluation of an ultra-thin plastic scintillator to detect alpha and beta particle contamination

森下 祐樹; 星 勝也; 鳥居 建男

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 966, p.163795_1 - 163795_8, 2020/06

https://doi.org/10.1016/j.nima.2020.163795

これまでに、福島第一原子力発電所(FDNPS)の原子炉建屋でアルファおよび高粒子エミッターが検出された。FDNPS原子炉建屋の放射線レベルは非常に高いため、ガイガーミュラー(GM)カウンターなどの市販のベータ測量計では、汚染レベルを測定できない。この問題を解決するために、極薄のプラスチックシンチレータを使用して、アルファおよびベータ汚染の検出器を開発した。検出器の評価のため、7, 22, 24, 31, 39、および55mのさまざまな厚さの超薄型プラスチックシンチレータを準備した。それらの感度をテストするために、各シンチレータをガラスプレートと2インチの位置に敏感な光電子増倍管に光学的に結合し、アルファ, ベータ、またはガンマ線源に曝露した。アルファ分光法の結果は、厚さ55mのプラスチックシンチレータのみがアルファ粒子(5.5MeV)を完全に吸収し、半値全幅が16.7%であった。高ベータバックグラウンド下でのアルファイメージングの場合、厚さ7mのプラスチックシンチレータが最良の選択であり、アルファ対ベータ比が652であることがわかった。また、厚さ7mのプラスチックシンチレータは1MBq Sr/Y線源に直接コンタクトして測定しても41.740.93cpsのカウントレートであり、非常に低感度であるため飽和せずに測定を行うことが可能である。したがって、厚さ7mのプラスチックシンチレータを使用して、以前の方法では不可能だったFDNPSサイトのベータの表面汚染レベルをリアルタイムで直接測定することができる。

Imaging of plutonium particles using a CCD-camera-based alpha-particle imaging system

森下 祐樹

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 954, p.161708_1 - 161708_5, 2020/02

https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.12.023

Measuring individual activities of Plutonium dioxide (PuO) particles is extremely important for the internal exposure of a worker to these particles. In this study, actual PuO particles were measured using the CCD-camera-based alpha-particle imaging system. An electron multiplying(EM) CCD Camera was used for alpha particle imaging. A Pu sample was placed on top of the ZnS(Ag) scintillator, and produced scintillation light was captured using the CCD camera. This study showed that the CCD camera-based alpha-particle imaging system has some advantages compared to the conventional alpha particle imaging systems; (1) High spatial resolution, (2) Counting capability of individual alpha particles, (3) Real-time imaging.

Organic scintillator-based alpha/beta detector for radiological decontamination

森下 祐樹; Di Fulvio, A.*; Clarke, S. D.*; Kearfott, K. J.*; Pozzi, S. A.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 935, p.207 - 213, 2019/08

https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.04.024

パルス形状識別(PSD)対応の有機シンチレーター,シリコン光電子増倍管,波形デジタイザーを使用して、プロトタイプのアルファ/ベータ粒子検出器を開発した。電荷積分PSD技術を使用して、アルファ粒子とベータ粒子を分離した。Am線源(5.5MeVアルファ粒子)とSr線源を使用して測定を行い、2つのシンチレータ(EJ-299-33とスチルベン)のPSDの性能指数(FOM)の値を比較した結果、スチルベン(FOM=1.61)の弁別性能はEJ-299-33 (FOM=0.56)弁別性能よりも優れていることがわかった。さらに、スチルベンは良好なエネルギー分解能を示した(5.5MeVのアルファ粒子で23.6% FWHM)。Sr/Y線源のパルス波高スペクトルでは、低エネルギー部分(Sr)と高エネルギー部分(Y)が分離して確認できる。