JP6369829B2 - ガンマ線計測装置及びガンマ線計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、中性子及びガンマ線の混在場においてガンマ線の線量を計測するガンマ線計測装置及びガンマ線計測方法に関するものである。

現在、ホウ素中性子捕捉療法(Boron neutron capture therapy; BNCT)が癌細胞を選択的に殺傷し治療できる技術として注目されている。ＢＮＣＴでは、熱中性子や熱外中性子を利用する必要があるため、患者が中性子を生成利用できる原子炉まで出向く必要がある等の制約が多いため、病院内で中性子を発生させ得る小型の中性子発生装置が望まれている。中性子発生装置では、ベリリウムやリチウムのターゲットに加速器で加速させた陽子や重陽子を衝突させる。

従来の加速器としては、非特許文献１に記載のようなものが知られている。この加速器は、ＥＣＲ（electron cyclotron resonance）型のイオン源と、高周波四重ごく線形加速器（ＲＦＱリニアック）と、ドリフト導入管型線形加速器（ＤＴＬ）とを連設した構成である。この加速器では、ＲＦＱリニアックにより重陽子イオンを５ＭｅＶまで加速させ、ＤＴＬにより４０ＭｅＶまで加速させる。加速した重陽子イオンのビームは、湾曲したバックウォール上に流れる液体リチウムに照射され、その背後に中性子を発生させる。

国際核融合材料照射施設（ＩＦＭＩＦ）計画の概要 東北大学金属材料研究所，日本原子力研究所 松井秀樹 第１１回核融合研究開発問題検討会 平成１５年９月２９日 第１４頁

ＢＮＣＴの中性子照射場は、中性子及びガンマ線の混在場であり、このガンマ線の線量を分離して測定する手法の開発が望まれている。また、ガンマ線の線量を測定する手法に必要な装置は、治療コストの低減のためには簡易かつ安価な構成である必要がある。

本発明のガンマ線計測装置は、共に使用される第二検出器を構成する放射線量計と同一の放射線量計の周囲に配置され且つ鉛又は鉛合金からなると共に、中性子の減衰とガンマ線の補正係数とがガンマ線の計測における許容範囲に収まるように厚さを決定したフィルターから構成される第一検出器を備えたことを特徴とする。

具体的には、前記フィルターの厚さは、純鉛換算で２ｃｍ以下１ｃｍ以上とすることで好ましい計測結果が得られる。

また、前記フィルターは、中心に前記ガラス線量計を配置した均一厚を有する中空の略球状体又は略円筒体とするのが好ましい。更に、前記ガラス線量計を所定の位置に支持する支持部材を内部に有する構成とするのが好ましい。

次に、本発明のガンマ線計測方法は、上記いずれか一つに記載の第一検出器と、第一検出器に用いる放射線量計と同じ放射線量計で構成した第二検出器とを中性子及びガンマ線の混在場に置き、その後、第二検出器の放射線量計で計測した線量から第一検出器の放射線量計で計測した線量を引き算して、残りの線量をガンマ線の線量の減衰分としてガンマ線の線量を推定することを特徴とする。

この発明の実施の形態１に係るガンマ線計測装置を示す構成図である。 図１に示した第一検出器の底方向からの斜視図である。 中性子エネルギーに対する中性子線量の減衰比を示すグラフ図である。 ガンマ線線量のフィルターの厚さに対する補正係数のエネルギー依存性を示すグラフ図である。 第一検出器の変形例を示す構成図である。 Flat response解析による、場の線量Ｄについての、フィルター有無の差し引き結果（ソース当たりのＳｖ値）を示すグラフ図である。

図１は、この発明の実施の形態１に係るガンマ線計測装置を示す構成図であり、（ａ）は第一検出器の断面図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は第二検出器の平面図を示す。図２は、図１に示した第一検出器の底方向からの斜視図である。このガンマ線計測装置１００は、鉛のフィルター１１を用いた場合と用いない場合の線量を同じ場所で計測し、その差からガンマ線量を取得する方法に用いるものであって、ガンマ線を遮蔽する鉛製のフィルター１１及び当該フィルター１１の中心に配置したガラス線量計３とから構成する第一検出器１と、ガラス線量計３のみから構成される第二検出器２とから構成される。

フィルター１１は、鉛の鋳造品であり中空の球状体である。鉛を用いたのは、加工が容易あり、ガンマ線の遮へい能が高く且つ中性子の減衰能が低いためである。鉛は、純鉛（９９．９７％以上）である。なお、フィルター１１に必要な量の鉛を有するのであれば鉛合金を用いても良い。また、球状としたのは、内部に一様な場を作り、線量計の形状依存性を無くすことができるためである。フィルター１１の分割端面１１ａは段形状となっており、組み合わせて球体にした状態において、中心からの放射方向でガンマ線や中性子が抜けることがないようにする。

フィルター１１は半分に分割可能であり、球体の中心にガラス線量計３を保持できる支持部材１２が設けられる。支持部材１２は、半球体に分割した際の端面から９０度毎に球体中心に向かって延出するアーム１３により構成する。前記ガラス線量計３は、この支持部材１２により球体の中心に保持される。支持部材１２は、紙や樹脂等の加工しやすい部材から構成するのが好ましい。また、ガラス線量計３を保持する固定部１４に接着テープ等を設ける。

また、前記支持部材１２は、球体中心にガラス線量計３を保持できればよいので、中性子・ガンマ線を吸収する特性が低い素材からなる平面薄板を前記半球体の端面の間に渡してその中心部に接着テープ等のガラス線量計３の固定部を設けた構成でも良い。また、半球体の端面から片持ちのアームを延出してその先端が球体中心に位置するようにし、当該先端にガラス線量計３の固定部を設けた構成でも良い。また、支持部材１２は、ワイヤ状のものでも良い。

前記ガラス線量計３には、ＴＬＤなどに代わって簡易（個人）被ばく線量計として使用されているものを用いる。第一検出器１のガラス線量計３は、平板状で長方形である。第二検出器２は、この第一検出器１のガラス線量計３と形状・大きさ・材料が同一のガラス線量計３で構成する。

前記フィルター１１の厚さは、ガンマ線の遮蔽能が高く、且つ、中性子の減衰能が低くなるように、両者の特性をバランスよく備えるように決定する。換言すれば、中性子の減衰とガンマ線の補正係数とがガンマ線の計測における許容範囲に収まる厚さとする。次に、フィルター１１の厚さの決定方法について説明する。

中性子とガンマ線の混在場の線量Ｄは、(γ,ｎ)反応が無視できるとすると、
Ｄ＝Ｄｎ＋Ｄｎγ＋Ｄγ （1）
であらわされる。
ここで、Ｄｎは、中性子による直接線量、Ｄｎγは、中性子誘起ガンマ線線量、Ｄγは、ガンマ線の直接線量である。求めたい物理量は、Ｄγである。

ガンマ線の直接線量Ｄγは、基本的に以下の式で求められる。
Ｄγ＝（Ｄ−Ｄlead）・η （2）
ここで、ηは、補正係数である。Ｄleadは、フィルター有のガラス線量計３の計測した線量である。ファイルターの有無で中性子線量は変わらないと仮定すると、Ｄleadは次式で与えられる。
Ｄlead＝Ｄｎ＋Ｄｎγ＋ξＤγ （3）
ここで、ξはγ線の減衰率である。この時、ηは、ガンマ線の減衰率ξと以下の関係がある。
η＝1／(1−ξ) （4）
以下、中性子の減衰率およびガンマ線の減衰率のエネルギー依存性、Ｄｎγの効果について検討結果を示すことで、（2）及び（3）式の妥当性を示す。

図３は、中性子エネルギーに対する中性子線量の減衰比を示すグラフ図である。パラメータは、フィルター１１の厚さである。鉛の中性子吸収断面積は小さく、そのα値（弾性散乱による最大エネルギー減少割合）が０．９９を超える。このため、鉛は、中性子の強度とエネルギーを減らすことなく中性子を透過させられる。一方、鉛は質量数が大きいため散乱中性子強度の角度依存性が小さい。よって、フィルター１１が厚いほどガラス線量計３に届く中性子数が減る。即ち、フィルター１１の厚さにより中性子の減衰能を調整でき、例えば中性子の減衰を十分小さくすれば良い。これは、フィルター１１の厚さを薄くすればよいことになる。同図に示すように、フィルター１１の厚さを、１ｃｍ、１．５ｃｍ、２ｃｍ、３ｃｍ、５ｃｍとしてそれぞれの中性子の減衰を測定したところ、フィルター厚が小さいほど中性子の減衰が小さいことが確認できた。また、フィルター１１の厚さを２ｃｍ以下にすれば、広いエネルギー範囲で中性子の減衰を安定して十分小さくできることが解る。

式（２）において、本発明では、フィルター１１でガンマ線の遮蔽を行い且つ中性子を遮蔽しないようにした状態で、第二検出器２の測定結果から第一検出器１の測定結果を引き算することで、遮蔽したガンマ線の線量を得る。第一検出器１と第二検出器２による線量を式（１）を用いて下記のように表す。
第一検出器 Ｄlead＝Ｄｎ(lead)＋Ｄｎγ(lead)＋ξＤγ(lead)
第二検出器 Ｄ＝Ｄｎ＋Ｄｎγ＋Ｄγ
求めたいのはガンマ線の線量の減衰分であるから、
Ｄ−Ｄlead＝Ｄｎ−Ｄｎ(lead)＋Ｄｎγ−Ｄｎγ(lead)＋Ｄγ−ξＤγ(lead)
となる。

上述のように、フィルター１１の厚さを２ｃｍ以下とすることで、フィルター１１の有無が中性子の遮蔽に測定上殆ど影響しないものと考えられる。よって、
Ｄｎ(lead)≒Ｄｎ
としてよい。

次に、ガンマ線の遮蔽について検討する。図４は、ガンマ線線量のフィルターの厚さに対する補正係数のエネルギー依存性を示すグラフ図である。補正係数は、ガンマ線のエネルギーが０．４ＭｅＶ以下の範囲で概ね1となる。また、フィルター１１の厚さが増すにつれて広いエネルギー範囲において補正係数が１に近づき安定することが判る。エネルギー依存性が小さく、安定した補正係数を得るには、フィルター厚は１ｃｍ以上が好ましい。特に、ｐ−Ｌｉを用いたＢＮＣＴ線源では、主たるエネルギーは、０．１〜０．５ＭｅＶ付近となるので、フィルター厚が１ｃｍ以上であれば測定上支障がない。

一方、厚さが大きい方が、補正係数は安定するが、例えば５ｃｍ厚さのフィルター１１を用いるとすると、フィルター１１の直径は少なくとも１０ｃｍ以上となり、中性子及びガンマ線場を歪める恐れがある。このため、２ｃｍ以下の厚さとするのが好ましい。これは、放射化箔や小型の検出器を用いる場合にも適する。

次に、中性子誘起ガンマ線線量（Ｄｎγ）については、測定場のガンマ線の成分に比べ、二次的に発生するγ線の寄与が極めて小さいことから、考慮しなくても測定精度上問題ないものと考えられる。よって、
Ｄｎγ(lead)＝Ｄｎγ≒０
とする。

以上から、
Ｄ−Ｄlead＝Ｄγ−ξＤγ＝(1−ξ)Ｄγ
となり、（４）式の定義から、
Ｄγ＝η・(Ｄ−Ｄlead)
となる。ＢＮＣＴにおいて、ｐ−Ｌｉベースの線源の場合、主たるエネルギーは、０．１〜０．５ＭｅＶ付近となるので、
補正係数η≒２
となることが、計算により十分な精度で予測可能である。

この結果は、換言すれば、第二検出器２により測定した放射線線量から第一検出器１により測定した放射線線量を引き算することで、ガンマ線の線量を測定できることになる。これにより、簡単かつ安価な構成により、中性子及びガンマ線の混在場においてガンマ線の線量を測定できる。

[フィルター変形例]
図５は、第一検出器の変形例を示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。フィルター２１１は、上記同様、鉛の鋳造品であり全体が円筒形状であり軸方向に二分割構造となる。フィルター２１１の分割端面２１１ａは段形状となっており、組み合わせて筒体にした状態において、中心からの放射方向でガンマ線や中性子が抜けることがないようにする。分割端面２１１ａには、軸方向で中心で且つ円周の中心にガラス線量計３を保持できる支持部材２１２が設けられている。支持部材２１２は、分割端面から前記中心に向かって延出したアーム２１３により構成され、ガラス線量計３を保持する固定部２１４に接着テープ等を設けた構成である。支持部材２１２は、中性子・ガンマ線を吸収する特性が低い素材からなる平面薄板からなる。このような構成であっても、上記第一検出器１として用いることができる。

[フィルター厚の検討例]
フィルター１１の厚さをFlat response解析により検討した。中性子およびガンマ線の減衰はエネルギー依存性があり、エネルギーに対する感度解析は可能であるが、実際の応用では、場のスペクトルに大きく依存するので、その効果は、それぞれの場でスペクトルを確認しつつ、補正係数を評価することになる。しかしながら、係る方法では煩雑となるため、以下のように、場のスペクトル依存性を近似的に排除して傾向を得るものとした。具体的には、中性子とガンマ線のスペクトルが一様（中性子はレサジーあたり一定、ガンマ線は、ＭｅＶあたり一定、とする。全積分値で規格化する）であるとし、減衰項などを積分し求めるものと仮定し、積分的な傾向を見た。

[中性子の減衰誤差]
Flat response解析による、Ｄｎの引き去り（（２）式参照）の残り分（減衰分を％表示したもの）は以下の通りである。これは、図３に示した条件について、あるスペクトル（Flat spectrum）を仮定して積分した量に相当する。
フィルター厚 1cm 2cm 3cm
中性子減衰 6.6％ 8.5％ 11.1％
このように、フィルター１１が厚くなると、引き去りの残部が大きくなる。この中性子の影響は、線量計リーダーによるガンマ線量換算にどのように影響を及ぼすか不確定であるため、中性子減衰をできるだけ減らすことが大切である。このため、出来るだけフィルター１１を薄くする必要がある。

［Ｄｎγの寄与］
図６は、Flat response解析による、場の線量Ｄについての、フィルター有無の差し引き結果（ソース当たりのＳｖ値）を示すグラフ図である。同図に示すように、ガンマ線の成分が大きいので基本的に引き算方式が使用可であることが解る。また、Ｄｎγは、その寄与が十分に小さく、無視できることが解る。

[ガンマ線の補正係数η]
Flat response解析による補正係数ηは、以下のようになる。
フィルター厚 0.5cm 1cm 2cm 5cm
補正係数η 7.8 3.85 2.08 1.20
この結果は、フィルター１１を出来るだけ厚くする方が良いことを示している。フィルター厚が小さいと補正係数が大きくなり、統計誤差が大きく伝搬することとなる。ただし、実際のｐ−ＬｉによるＢＮＣＴ用中性子場では、ガンマ線のスペクトルは、０．１〜０．５ＭｅＶ辺りにピークを持つため、補正係数は更に小さくなる。

このFlat response解析により、中性子の減衰誤差は、フィルター厚さが薄い方が良い結果となった。ただ、中性子の線量のガンマ線量換算効果が不明なので、出来るだけこの効果が小さい方（フィルター１１が薄い方）が良い。また、ガンマ線の減衰補正係数の観点では、フィルター厚が大きなものが良いと考えられる。なお、フィルター厚が１ｃｍより小さくなると、補正係数がかなり大きくなり好ましくない。以上から、１ｃｍのフィルター１１を使用することで、中性子とガンマ線の混在場でガラス線量計３を用いてガンマ線の線量を正確に決定できる。

１００ ガンマ線計測装置
１ 第一検出器
２ 第二検出器
３ ガラス線量計
１１ フィルター
１２ 支持部材

Claims (5)

1. 放射線量計を有する第二検出器と、
   前記第二検出器を構成する前記放射線量計と同一の放射線量計及び前記放射線量計の周囲に配置され且つ鉛又は鉛合金からなると共に、中性子の減衰とガンマ線の補正係数とがガンマ線の計測における許容範囲に収まるように厚さを決定したフィルターを有する第一検出器と、を備え、
   前記第二検出器の前記放射線量計で計測した線量から前記第一検出器の前記放射線量計で計測した線量を引き算して、残りの線量をガンマ線の線量の減衰分としてガンマ線の線量を推定することを特徴とするガンマ線計測装置。
2. 前記フィルターの厚さは、純鉛換算で２ｃｍ以下１ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載のガンマ線計測装置。
3. 更に、前記フィルターは、中心に前記放射線量計を配置した均一厚を有する中空の略球状体又は略円筒体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガンマ線計測装置。
4. 更に、前記放射線量計を所定の位置に支持する支持部材を内部に有することを特徴とする請求項３に記載のガンマ線計測装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のガンマ線計測装置の第一検出器と、第一検出器に用いる放射線量計と同じ放射線量計で構成した第二検出器とを中性子及びガンマ線の混在場に置き、
   その後、第二検出器の放射線量計で計測した線量から第一検出器の放射線量計で計測した線量を引き算して、残りの線量をガンマ線の線量の減衰分としてガンマ線の線量を推定することを特徴とするガンマ線計測方法。

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