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論文

Catalog of gamma-ray glows during four winter seasons in Japan

和田 有希*; 松本 崇弘*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 古田 禄大*; 米徳 大輔*; 澤野 達哉*; 岡田 豪*; 南戸 秀仁*; et al.

Physical Review Research (Internet), 3(4), p.043117_1 - 043117_31, 2021/12

In 2015 the Gamma-Ray Observation of Winter Thunderstorms (GROWTH) collaboration launched a mapping observation campaign for high-energy atmospheric phenomena related to thunderstorms and lightning discharges. This campaign has developed a detection network of gamma rays with up to 10 radiation monitors installed in Kanazawa and Komatsu cities, Ishikawa Prefecture, Japan, where low-charge-center winter thunderstorms frequently occur. During four winter seasons from October 2016 to April 2020, in total 70 gamma-ray glows, minute-lasting bursts of gamma rays originating from thunderclouds, were detected. Their average duration is 58.9 sec. Among the detected events, 77% were observed in nighttime. The gamma-ray glows can be classified into temporally-symmetric, temporally-asymmetric, and lightning-terminated types based on their count-rate histories. An averaged energy spectrum of the gamma-ray glows is well fitted with a power-law function with an exponential cutoff, whose photon index, cutoff energy, and flux are 0.613 $$pm$$ 0.009, 4.68 $$pm$$ 0.04 MeV, and (1.013 $$pm$$ 0.003) $$times$$ 10$$^{-5}$$ erg cm$$^{-2}$$s$$^{-1}$$ (0.2-20.0 MeV), respectively. The present paper provides the first catalog of gamma-ray glows and their statistical analysis detected during winter thunderstorms in the Kanazawa and Komatsu areas.

論文

Gamma-ray observations at the coastal area of Japan Sea in winter seasons

土屋 晴文; 榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 楳本 大悟*; 牧島 一夫*; GROWTH collaboration*

Proceedings of Science (Internet), 358, 6 Pages, 2021/07

Since 2006, the GROWTH experiment has been successfully operating at the coastal area of Japan Sea. The GROWTH experiment aims at elucidating how particles in lightning and thunderclouds are accelerated to relativistic energies to produce gamma rays and occasionally neutrons. According to observations done by the GROWTH experiment, it is found that there are two types of radiation bursts associated with winter thunderstorms. One is long bursts lasting for a few tens of seconds to a few minutes, being not clearly related to lightning. The other is short bursts in association with lightning. To better understand the production mechanism of these radiation bursts, we have developed a small-type of radiation detectors and increased observational points with the new detectors. In this presentation, we show an overview of observations done by the GROWTH experiment. Then we focus on recent several findings observed by the new detectors. One, which is categorized into long bursts, implies a relationship between a long burst and an intra/inter-cloud discharge. Another is a combination of short bursts and long ones, showing simultaneous detections of prompt gamma rays extending up to 10 MeV and the 511-keV annihilation ones. These gamma-ray signals demonstrate the occurrence of photonuclear reactions in lightning. Based on these results, we discuss the production mechanism of gamma rays related to thunderstorms.

論文

Simulation code for estimating external gamma-ray doses from a radioactive plume and contaminated ground using a local-scale atmospheric dispersion model

佐藤 大樹; 中山 浩成; 古田 琢哉; 吉廣 保*; 坂本 健作

PLOS ONE (Internet), 16(1), p.e0245932_1 - e0245932_26, 2021/01

 被引用回数:1 パーセンタイル:81.22(Multidisciplinary Sciences)

本研究では、大気および土壌に不均一に分布する放射性核種からのガンマ線による外部被ばく線量評価のための計算モデルSIBYLを開発した。SIBYLは、原子力機構が開発した局所域大気拡散モデルLOHDIM-LESに接続し、LOHDIM-LESが予測した放射性核種の分布に従い地表面での線量率分布を計算できる。原子力緊急時における利用で要求される計算速度と精度を実現するため、汎用放射線輸送計算コードPHITSを用いて膨大な計算資源を要する3次元放射線輸送計算を予め行い、その結果を線量計算に利用するデータベースとして整備した。また、SIBYLは、ビル等の障害物による減衰や地表面の標高変化を考慮した線量評価ができるという特長がある。そこで、排気塔からの$$^{85}$$Krの大気放出および都市部での$$^{137}$$Csの拡散を想定した5ケースに対して、SIBYLで地表面の線量率分布を計算し、その結果をPHITSによる線量率分布の評価結果と比較して、SIBYLの信頼性と性能を検証した。その結果、評価地域の大部分で両者の評価結果は10%以内で一致し、かつSYBILはPHITSに対して約100倍以上高速に線量を評価し、緊急時にも適用可能であることを確認した。

論文

Photonuclear reactions in lightning, 1; Verification and modeling of reaction and propagation processes

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 小高 裕和*; 古田 禄大; 土屋 晴文

Journal of Geophysical Research; Atmospheres, 125(20), 17 Pages, 2020/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:0.01(Meteorology & Atmospheric Sciences)

We report simulation results of photonuclear reactions in the atmosphere triggered by a downward terrestrial gamma-ray flash in lightning. Possible channels of reactions in the atmosphere and their cross sections are verified with the ENDF/B-VII.1 library. Monte-Carlo simulations with two stages are then performed with the Geant4 framework. In the first stage, electrons following the relativistic runaway electron avalanche spectrum are produced in a mass model of the atmosphere, and production of photoneutrons and $$beta^{+}$$-decay nuclei is calculated based on the nuclear data library. In total 1$$times$$$$10^{13}$$ neutrons and 4$$times$$$$10^{12}$$ $$beta^{+}$$-decay nuclei are produced by $$10^{18}$$ energetic electrons above 1 MeV. In the second stage, propagation of the photoneutrons and positrons from the $$beta^{+}$$-decay nuclei in the previous stage is calculated. As a result, we model on-ground distributions of fluxes and energy spectra for neutrons, neutron-related gamma rays, and annihilation ones. The simulation model is to be compared with photonuclear events detected in low-charge-center winter thunderstorms.

論文

Thundercloud project; Exploring high-energy phenomena in thundercloud and lightning

湯浅 孝行*; 和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 古田 禄大; 土屋 晴文; 久富 章平*; 辻 結菜*; 奥田 和史*; 松元 崇弘*; 中澤 知洋*; et al.

Progress of Theoretical and Experimental Physics (Internet), 2020(10), p.103H01_1 - 103H01_27, 2020/10

 被引用回数:2 パーセンタイル:32.18(Physics, Multidisciplinary)

We designed, developed, and deployed a distributed sensor network aiming at observing high-energy ionizing radiation, primarily gamma rays, from winter thunderclouds and lightning in coastal areas of Japan. Starting in 2015, we have installed, in total, more than 15 units of ground-based detector system in Ishikawa Prefecture and Niigata Prefecture, and accumulated 551 days of observation time in four winter seasons from late 2015 to early 2019. In this period, our system recorded 51 gamma-ray radiation events from thundercloud and lightning. Highlights of science results obtained from this unprecedented amount of data include the discovery of photonuclear reaction in lightning which produces neutrons and positrons along with gamma rays, and deeper insights into the life cycle of a particle-acceleration and gamma-ray-emitting region in a thunder-cloud. The present paper reviews objective, methodology, and results of our experiment, with a stress on its instrumentation.

論文

Photoneutron detection in lightning by gadolinium orthosilicate scintillators

和田 有希*; 中澤 知洋*; 榎戸 輝揚*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review D, 101(10), p.102007_1 - 102007_6, 2020/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:22.99(Astronomy & Astrophysics)

During a winter thunderstorm on November 24, 2017, a downward terrestrial gamma-ray flash took place and triggered photonuclear reactions with atmospheric nitrogen and oxygen nuclei, coincident with a lightning discharge at the Kashiwazaki-Kariwa nuclear power station in Japan. We directly detected neutrons produced by the photonuclear reactions with gadolinium orthosilicate scintillation crystals installed at sea level. Two gadolinium isotopes included in the scintillation crystals, $$^{155}$$Gd and $$^{157}$$Gd, have large cross sections of neutron captures to thermal neutrons such as $$^{155}$$Gd(n,$$gamma$$)$$^{156}$$Gd and $$^{157}$$Gd(n,$$gamma$$)$$^{158}$$Gd. De-excitation gamma rays from $$^{156}$$Gd and $$^{158}$$Gd are self-absorbed in the scintillation crystals, and make spectral-line features which can be distinguished from other non-neutron signals. The neutron burst lasted for $$sim$$100 ms, and neutron fluences are estimated to be $$>$$ 58 and $$>$$ 31 neutrons cm$$^{-2}$$ at two observation points at the power plant. Gadolinium orthosilicate scintillators work as valid detectors for thermal neutrons in lightning.

論文

A Remote continuous air monitoring system for measuring airborne alpha contamination

森下 祐樹; 宇佐美 博士; 古田 禄大; 青木 克憲; 鶴留 浩二; 星 勝也; 鳥居 建男

Radiation Protection Dosimetry, 189(2), p.172 - 181, 2020/04

 被引用回数:0 パーセンタイル:0.01(Environmental Sciences)

遠隔$$alpha$$ダストモニタリング装置(RCAM)システムを開発した。RCAMシステムは、パーソナル$$alpha$$ダストモニターとロボットで構成した。パーソナル$$alpha$$ダストモニター(poCAMon, SARAD、ドイツ)は、400mm$$^{2}$$のイオン注入シリコン検出器と25mm$$phi$$のメンブレンエアフィルターで構成された。パーソナル$$alpha$$ダストモニターは、任意の測定時間間隔のアルファエネルギースペクトルを取得することが可能であった。実証測定は、瑞浪超深地層研究所(MIU)および換気の悪いコンクリートの建物で地下で行われた。RCAMシステムは遠隔操作され、相対湿度(RH)がほぼ100%であっても$$^{222}$$Rn子孫を正常に測定した。測定されたアルファスペクトルでは、$$^{218}$$Po(6.0MeVアルファ線)および$$^{214}$$Po(7.7MeVアルファ線)のピークが明確に識別された。我々の開発したモニターは、高ガンマ線環境または作業者が物理的に立ち入ることができない汚染場でのアルファダストモニタリングに有用である。

論文

Downward terrestrial gamma-ray flash observed in a winter thunderstorm

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中澤 知洋*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; 松元 崇弘*; 牧島 一夫*; 土屋 晴文

Physical Review Letters, 123(6), p.061103_1 - 061103_6, 2019/08

 被引用回数:14 パーセンタイル:82.27(Physics, Multidisciplinary)

During a winter thunderstorm on 2017 November 24, a strong burst of gamma-rays with energies up to $$sim$$10 MeV was detected coincident with a lightning discharge, by scintillation detectors installed at Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Plant at sea level in Japan. The burst had a sub-second duration, which is suggestive of photoneutron productions. The leading part of the burst was resolved into four intense gamma-ray bunches, each coincident with a low-frequency radio pulse. These bunches were separated by 0.7$$-$$1.5 ms, with a duration of $$<$$1 ms each. Thus, the present burst may be considered as a "downward" terrestrial gamma-ray flash (TGF), which is analogous to up-going TGFs observed from space. Although the scintillation detectors were heavily saturated by these bunches, the total dose associated with them was successfully measured by ionization chambers, employed by nine monitoring posts surrounding the power plant. From this information and Monte Carlo simulations, the present downward TGF is suggested to have taken place at an altitude of 2500$$pm$$500 m, involving $$8^{+8}_{-4} times10^{18}$$ avalanche electrons with energies above 1 MeV which is comparable to those in up-going TGFs.

論文

Gamma-ray glow preceding downward terrestrial gamma-ray flash

和田 有希*; 榎戸 輝揚*; 中村 佳敬*; 古田 禄大; 湯浅 孝行*; 中澤 知洋*; 森本 健志*; 佐藤 光輝*; 松元 崇弘*; 米徳 大輔*; et al.

Communications Physics (Internet), 2(1), p.67_1 - 67_9, 2019/06

 被引用回数:18 パーセンタイル:89.5(Physics, Multidisciplinary)

Two types of high-energy events have been detected from thunderstorms. One is "terrestrial gamma-ray flashes" (TGFs), sub-millisecond emissions coinciding with lightning discharges. The other is minute-lasting "gamma-ray glows". Although both phenomena are thought to originate from relativistic runaway electron avalanches in strong electric fields, the connection between them is not well understood. Here we report unequivocal simultaneous detection of a gamma-ray glow termination and a downward TGF, observed from the ground. During a winter thunderstorm in Japan on 9 January 2018, our detectors caught a gamma-ray glow, which moved for $$/sim$$ 100 s with ambient wind, and then abruptly ceased with a lightning discharge. Simultaneously, the detectors observed photonuclear reactions triggered by a downward TGF, whose radio pulse was located within $$sim$$ 1 km from where the glow ceased. It is suggested that the highly-electrified region producing the glow was related to the initiation of the downward TGF.

論文

Termination of electron acceleration in thundercloud by intracloud/intercloud discharge

和田 有希*; Bowers, G. S.*; 榎戸 輝揚*; 鴨川 仁*; 中村 佳敬*; 森本 健志*; Smith, D.*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; et al.

Geophysical Research Letters, 45(11), p.5700 - 5707, 2018/06

 被引用回数:16 パーセンタイル:79.35(Geosciences, Multidisciplinary)

An on-ground observation program for high energy atmospheric phenomena in winter thunderstorms along Japan Sea has been performed via lightning measurements of $$gamma$$-ray radiation, atmospheric electric field and low-frequency radio band. On February 11, 2017, the radiation detectors recorded $$gamma$$-ray emission lasting for 75 sec. The $$gamma$$-ray spectrum extended up to 20 MeV and was reproduced by a cutoff power-law model with a photon index of 1.36$$^{+0.03}_{-0.04}$$, being consistent with a Bremsstrahlung radiation from a thundercloud (as known as a $$gamma$$-ray glow). Then the $$gamma$$-ray glow was abruptly terminated with a nearby lightning discharge. The low-frequency radio monitors, installed $$sim$$50 km away from Noto School, recorded intra/inter-cloud discharges spreading over $$sim$$60km area with a $$sim$$300 ms duration. The timing of the $$gamma$$-ray termination coincided with the moment when a sequence of intra/inter-cloud discharges passed 0.7 km horizontally away from the radiation monitors. The atmospheric electric-field measurement presented that negative charge was located in the cloud base and not neutralized by the lightning discharge. This indicates that the $$gamma$$-ray source was located at an higher region than the cloud base.

論文

Photonuclear reactions triggered by lightning discharge

榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; 中野 俊男*; et al.

Nature, 551(7681), p.481 - 484, 2017/11

 被引用回数:71 パーセンタイル:97.24(Multidisciplinary Sciences)

Relativistic electrons accelerated by electric fields of lightnings and thunderclouds emit bremsstrahlung $$gamma$$ rays, which have been detected at ground observations. The energy of the $$gamma$$ rays is sufficiently high to potentially invoke atmospheric photonuclear reactions $$^{14}$$N($$gamma$$, n)$$^{13}$$N, which would produce neutrons and eventually positrons via $$beta^{+}$$ decay of generated unstable radioactive isotopes, especially $$^{13}$$N. However, no clear observational evidence for the reaction has been reported to date. Here we report the first detection of neutron and positron signals from lightning with a ground observation. During a thunderstorm on 6 February 2017 in Japan, an intense $$gamma$$-ray flash ($$<$$1 ms) was detected at our monitoring sites. The subsequent initial burst quickly subsided with an exponential decay constant of 40-60 ms, followed by a prolonged line emission at $$sim$$0.511MeV, lasting for a minute. The observed decay timescale and spectral cutoff at $$sim$$10 MeV of the initial emission are well explained with de-excitation $$gamma$$ rays from the nuclei excited by neutron capture. The centre energy of the prolonged line emission corresponds to the electron-positron annihilation, and hence is the conclusive indication of positrons produced after the lightning. Our detection of neutrons and positrons is unequivocal evidence that natural lightning triggers photonuclear reactions.

口頭

日本海沿岸における冬の雷や雷雲に伴う放射線観測

土屋 晴文; 榎戸 輝揚*; 和田 有希*; 古田 禄大*; 中澤 知洋*; 湯浅 孝行*; 奥田 和史*; 牧島 一夫*; 佐藤 光輝*; 佐藤 陽祐*; et al.

no journal, , 

日本海沿岸地域にある原子力発電所や自治体が持つモニタリングポストにより、冬の雷の発生や雷雲の通過に伴った3MeV以上の高エネルギー放射線量の増大が観測されていた。こうした放射線は、雷や雷雲がもつ電場によって加速された電子の制動放射$$gamma$$線であると考えられている。また、近年、雷や雷雲に付随して中性子や陽電子の信号を捉えたという報告もあった。これは、制動放射だけではなく様々な高エネルギー反応が雷や雷雲の中で起こっている可能性を示唆しており、活発な議論がなされている。本発表では、現在までに原子力センシング研究グループが観測したロングバーストと呼ばれる雷雲の通過に伴って放射線量が数分ほど増大する事象と、雷に同期して発生する継続時間が1秒以下のショートバーストの観測結果について報告する。特に、2017年2月の落雷に伴って発生したショートバーストでは、雷が光核反応を誘発し、中性子, 陽電子および酸素や炭素の放射性同位体を生成した実験的な証拠を初めて確認することに成功した。本発表では、それらの生成メカニズムについても議論する。

口頭

The Development of the radiation imaging camera for the radioactive contamination monitoring in Fukushima Daiichi Nuclear Power Station

冠城 雅晃; 佐藤 優樹; 森下 祐樹; 宇佐美 博士; 寺阪 祐太; 古田 禄大; 鳥居 建男

no journal, , 

放射性廃棄物の管理, 運搬、ならびに安全で経済的な原子力施設の廃止措置について議論することを目的に第45回Waste Managementが開催され、そこで、原子力機構として出展した。本件は、その中で、東京電力ホールディングス福島原子力発電所の廃止措置を加速するための研究開発の一環である放射線イメージング技術について紹介するものである。

口頭

大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を$$gamma$$線画像から推定する手法開発,2; 大気中核種濃度分布の計算

中山 浩成; 佐藤 大樹; 古田 禄大; 永井 晴康

no journal, , 

CLADS補助金事業「ガンマ線画像から大気中3次元核種分布及び流出量を逆解析する手法の開発」において、放射性物質の大気拡散予測の信頼性を向上するための研究開発として、大気拡散計算と放射線計測を融合して大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を推定する手法の開発を進めている。この手法により得られる放射性物質の放出量と放出地点近傍の濃度分布データを大気拡散計算に取り入れることで、より現実に近い大気拡散状況の予測が可能となる。本研究では、現実の実験データが存在しないため、シミュレーションにより模擬実験データを生成し、解析手法の開発と検証を行う計画である。この模擬実験データとして、大気放出された放射性核種の濃度分布データの作成について報告する。

口頭

大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を$$gamma$$線画像から推定する手法開発,1; 研究の概要

永井 晴康; 谷森 達*; 中山 浩成; 佐藤 大樹; 古田 禄大

no journal, , 

原子力機構では、放射性物質の大気拡散予測の信頼性を向上するための研究開発として、大気拡散計算と放射線計測を融合して大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を推定する手法の開発を進めている。この手法では、複数箇所で測定された$$gamma$$線画像の組み合わせから大気中の放射性物質の核種ごとの濃度分布を一定の時間間隔で再構成するとともに、時間間隔ごとの濃度増加量から放出量も推定することを目指している。この手法により得られる放射性物質の放出量と放出地点近傍の濃度分布データを大気拡散計算に取り入れることで、より現実に近い大気拡散状況の予測が可能となる。本報告では、この研究の全体像を説明する。

口頭

大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を$$gamma$$線画像から推定する手法開発,3; 仮想$$gamma$$線画像と応答関数の作成

古田 禄大; 佐藤 大樹; 中山 浩成; 永井 晴康; 谷森 達*

no journal, , 

CLADS補助金事業「ガンマ線画像から大気中3次元核種分布及び流出量を逆解析する手法の開発」において、大気放出された放射性核種からの$$gamma$$線を電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)で撮影した画像から、線源核種の濃度分布と放出量を推定する逆解析手法の開発を進めている。得られた濃度分布と放出量を大気拡散計算の入力データとして用いることで、拡散計算の予測精度を向上させることができる。本研究では、シミュレーションによってETCCの仮想$$gamma$$線画像と逆解析に使用する応答関数行列を作成し、逆解析手法の開発及び検証を行う。この仮想$$gamma$$線画像と応答関数の作成について報告する。

口頭

遠隔で空気中$$alpha$$汚染を測定するための遠隔$$alpha$$ダストモニタリングシステムの開発

宇佐美 博士; 森下 祐樹; 古田 禄大; 青木 克憲; 鶴留 浩二; 星 勝也; 鳥居 建男

no journal, , 

遠隔技術を駆使した放射線計測システムの開発は、福島第一原子力発電所(以下「1F」と称す)事故を機に目まぐるしく発展してきた。遠隔技術と放射線計測の組み合わせは、測定する作業者自身が現場に入る必要がないため、内部・外部被ばくの危険性がないという点が最大の利点である。そのため、遠隔放射線計測システムは、これまで実際に1Fの$$gamma$$線線量率が高い環境で使用されてきた。ただし、従来の遠隔放射線計測システムはほとんどの場合、$$gamma$$線測定に焦点を合わせており、遠隔で空気中の$$alpha$$汚染を測定するための遠隔$$alpha$$ダストモニタリングシステムはまだ開発されていない。そこで本研究ではポータブルダストサンプラーと遠隔操作ロボットを組合せることで遠隔$$alpha$$ダストモニタリングシステムを構築した。また、その成立性を確認するためラドン環境中で遠隔モニタリング性能試験を実施した。講演では、これまでに実施した性能試験によって得られたシステムの利点・欠点、それを今後どのように改善していくか等、将来の展望について報告する。

口頭

大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を$$gamma$$線画像から推定する手法開発,4; 推定手法の試作

永井 晴康; 古田 禄大*; 佐藤 大樹; 中山 浩成

no journal, , 

原子力機構では、放射性物質の大気拡散予測の信頼性を向上するための研究開発として、大気拡散計算と放射線計測を融合して大気放出された放射性核種の濃度分布と放出量を推定する手法の開発を進めている。放射線計測技術としては、京都大学が新規開発した電子飛跡検出型コンプトンカメラ(ETCC)を用いる。ETCCにより得られる$$gamma$$線の定量的画像(入射角度分布)は放射性核種ごとにその量と方向分布を特定できることから、複数箇所で測定された$$gamma$$線画像の組み合わせから大気中の放射性物質の核種ごとの3次元濃度分布を一定の時間間隔(数分)で再構成するとともに、時間間隔ごとの濃度増加量から放出量も推定することを目指している。手法開発は、原子力機構が開発した高分解能大気拡散予測コードLOHDIM-LESと放射線輸送計算コードPHITSを活用し、シミュレーションベースで実施している。本発表では、$$gamma$$線画像データから応答関数行列を逆解析し濃度分布を復元する手法の試作と試験結果を報告する。

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