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2014.12.03 第3回放射線計測フォーラム福島
福島上空における放射線と大気電気
日本原子力研究開発機構(JAEA) 福島環境安全センター 鳥居建男、眞田幸尚、西澤幸康 山田 勉、織田 忠
宇宙航空研究開発機構(JAXA) 航空本部 村岡浩治、佐藤昌之
福島大学 共生システム理工学類 渡邊 明
放射線と雷現象
雷雲から放射線が出ている
冬季雷活動時に2種類の放射線レベル上昇を観測(長時間・短時間バースト)
夏季雷でも高山(富士山頂 等)でも観測される
雷雲の強電界領域において逃走電子/電磁シャワー発生の可能性
“種”としての高エネルギー電子:2次宇宙線、大気中の放射性物質(ラドン)
宇宙線が“種”か? ラドン(大気中の放射性物質)の影響は?
放射線が雷放電のトリガーになってる?
雷雲中の電界強度:Max. 200 kV/m @1atm 室内実験:3,000 kV/m
放射線起源の逃走絶縁破壊(Runaway Breakdown, 相対論的、非相対論的)?
2
どっちが先
放射線 雷
雷雲中の電界強度と絶縁破壊(放電)
0.1
1
10
100
103
104
Ele
ctr
ic F
ield
(kV
/m a
t 1 a
tm)
絶縁破壊
静穏時
雷雲内
3,000 kV/m
地上電界 (雷雲通過時)
~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》
逃走電子と電磁シャワーの生成
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
• 雷雲をモデル化
• 大気中に放射線入射
• モンテカルロ計算
<280 kV/m
逃走電子
の生成
(平行平板電極)
強 い
弱 い
5
MC計算コードEGS4/5への電界効果の組み込み
高度 2 km(密度1.0066 kg/m3)
入射電子:10 MeV、25 個
0 kV/m
180 kV/m
220 kV/m
230 kV/m
1 km
モンテカルロ計算による電子・光子の飛跡解析
光子 電子 陽電子
高度2kmでは 230 kV/mで 電磁シャワー
が連続的に発生
逃走電子の連続生成
[0 ] /28thE P atm kV m
6
逃走電子の生成
100
101
0.01 0.1 1 10 100
AIR, DRY (Near Sea Level)
Collision Stp. Pow.Radiative Stp. Pow.Total Stp. Pow.
Sto
ppin
g P
ow
er
( M
eV
cm
2/g
)
Electron Energy (MeV)
0)),(( pzFEetd
pd
Stopping Powers for Electrons and Positrons [ ICRU Rep. 37 (1984) ]
逃走電子の発生条件
)),(( pzFEe
Emin
E>Emin
電子・光子なだれ(電磁シャワー)の発生
電界
7
雷放電開始への放射線の寄与の可能性
2次宇宙線(電子・陽電子・光子・ミュオン)
特に透過性の高いミュオンからの崩壊電子、
ノックオン電子の影響
ラドン壊変生成物のβ・γ線
強電界領域で 逃走電子の生成
電気伝導度 上昇
放射線 放電開始 (逃走絶縁破壊)
雷雲の電界強度(観測値)が絶縁破壊電界の1/10 (~200kV/m)
逃走電子が生成される電界 (~280kV/m-atm) は雷雲電界と 同程度である
逃走絶縁破壊@1atm
Gurevich et al. : 220 kV/m
Dwyer et al. : 284 kV/m
Torii et al. : 280 kV/m
Energetic Radiation Associated with Thunderstorm Activity
Torii et al. (2006)
Two types of radiation
Short-burst
about 1 second before return-stroke
~millisecond order
~up to 250 keV in US
more than 30 MeV in Japan (?)
Long-burst
~Several minutes
~up to 20 MeV
Ground-based Atmospheric Electric Field
Radiation
7
Long-burst of energetic radiation is observed during ….
A few
kilometer
Winter thunderstorm In Japan
< 1 km
Summer thunderstorm
Co
un
ts(c
/s)
645
650
655
660
665
Atm
.P
ressu
re(h
Pa
)
100
150
200
250
300JLDN ( + 5 km)WWLLN ( + 20km)Total Counts ( > 150 keV)Atm. Pressure (hPa)
(A)
BG a b c
10:00:00 12:00:00 14:00:00 16:00:00
Time (JST)
101
102
103
104
4:28:00 4:30:00 4:32:00 4:34:00
MP-1
MP-2
MP-3
MP-4
MS-1
Dose R
ate
(nG
y/h
)
Time (JST)
Torii et al. (JGR, 2002)
2 inch NaI Detector
10 sec. Data
Torii et al. (GRL, 2009)
5 inch NaI Detector
1 sec. Data
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Mt. Fuji
Monte Carlo Simulation (Torii et al., GRL, 2004) Shows
Without electric field With electric field
Runaway Electrons/Positrons
Estimated Source Location
7.1 m/s
Radiation attenuation: exp (- r ln 2/λ )/(4πr2)
Half-length at 0.2 - 300 MeV: λ ~ 300 m
FG1
FG3ERM-1
ERM-2
ERM-3
ERM-4
ERM-5
ERM-7
FG2
ERM-6
The Sea of Japan
Tsuruga
Peninsula
Cape Tateishi
0 500 1,000m
7 m/s
14:13:30
14:15:35
JAEA
JAPC
11 Torii, et al. GRL, 2011
Radar Echo Profile
Vertical View of Radar Echo above Fugen Site Observed by the Tojinbo Cliff Radar
Time
12
-300 -200 -100 0 100 200 3000
2,000
4,000
6,000
8,000
10,000
3P-EF/Winter2P-EF/Winter3P-EF/SummerEc (kV/m)-Ec (kV/m)
Atmospheric Electric Field (kV/m)
Altitud
e (
m)
上方向では観測されないのか・・・。
TGF(Terrestrial Gamma-ray Flash)との関係は?
航空機被ばく(雷雲上空、雷活動中の離着陸)は?
電界強度の高度分布と電子加速の方向
夏季雷では発生し
ても地上に達しない
冬季雷・3極構造
のときのみ発生
雷雲中で放射線は発生し得るし、 雷雲上空でも発生する・・・。
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宇宙からのTGF観測
Fishman et al., Science, 1994
CGRO衛星(1991~2000) NaI検出器
9年間で74回観測
上昇時間:~1.0 ms
RHESSI衛星(2002~ ) Ge検出器
8ヶ月で125回も観測
上昇時間: 200 ms ~ 3.5 ms
~20 MeV も
Smith et al., Science, 2005 RHESSI CGRO
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TGF発生のメカニズム?
1.雷放電直後の電界変動
2.逃走絶縁破壊電界を 超える電界の発生
3.逃走電子の発生
4.空気分子との衝突によるγ線(光子)の発生
5.光子が人工衛星に到達
( Inan, Science, 2005 )
高度 400 km の人工衛星で観測されるなら雷雲中や雷雲上空では?
地上で観測される長時間バーストは?
放射能ゾンデによる雷活動中の放射線変動
福島大(渡邊)は、福島第一原発事故後、大気中の放射能濃度、降下量の分布測定を実施
β線・γ線検出器(GM管)を搭載した放射能ゾンデを定期的に放球し観測 (JAEAと共同研究=大気中の放射能分布の測定解析)
γ線検出器
β・γ線検出器
16
1.0E-04
1.0E-03
1.0E-02
1.0E-01
1.0E+00
0 1 2 3 4 5
計数率(cps/Bq)
距離(cm)
シミュレーション
線源試験
1.0E-07
1.0E-06
1.0E-05
1.0E-04
0 10 20 30 40 50
計数率(cps/Bq)
距離(cm)
シミュレーション
線源試験
検出器の応答解析
点線源(137Cs、36Cl)を用いて感度試験を実施
モンテカルロ計算で点線源に対する応答計算
大気中の放射性物質に対する検出器応答を解析
γ線用 β線用
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β・γ線
核種 計数率(cps/(Bq/m3))
137Cs γ線 1.7×10-3 β線 1.3×10-5
134Cs γ線 4.7×10-3 β線 6.5×10-6
大気中に分布したCs-137、Cs-134に対する検出器(GM管)の応答
シミュレーションと線源試験(左:Cs-137、右:Cl-36)の計数率の比較
放射能ゾンデによる福島上空の放射線の観測
放射線 気圧 気温 湿度
2014.4.12
2014.6.18
2014.6.16
2014.7.21
雷活動中(6月18日)の測定結果とゾンデの飛跡
2014年6月18日事象の放射線変動
雷雨活動中にゾンデを放球
福島大学
福島大学 20
落雷地点: 東京電力、 FJ社
福島大学
計数率上昇時のレーダー画像
福島大学
0
50
100
150
200
250
300
350
400
15:45:00 15:50:00 15:55:00 16:00:00
Beta/Gamma-Tube
Gamma-Tube
CG (TEPCO)
CG (FJ)
Coun
t R
ate
(cps)
Time (LT)
RHI画像 福島大・渡邊先生より提供
高エネルギーの 電子・光子の混在場
低エネルギーの 電子・光子の混在場
航空機を用いた放射線変動の観測
JAXA実験用飛行機 「飛翔」 にγ線スペクトロメータを搭載し、雷活動中の福島上空 (40,000-47,000 ft) で観測
3インチ・5インチNaI検出器
飛行ルート (2014年8月7日、8日)
8月7日 8月8日
名古屋空港
飛行ルート (8月7,8日) と雷活動
2014.08.07 2014.08.08
高度15kmでの計数率の変動
有意なスペクトルの変動は認められなかった。
0.01
0.1
1
10
0 5 10 15 20
C/R (A)
C/R (B)
Coun
ting R
ate
(cps)
Energy (MeV)
A B
ゾンデ・航空機観測のまとめ
放射能ゾンデにより、雷活動中に放射線計数率の上昇が観測された。 計数率の解釈はこれからである。
観測位置から強いレーダーエコーが観測される位置(高度:6 – 7 km)でBGの数100倍の計数であった。
航空機観測では、雷活動に起因する有意な放射線は観測されなかった。
(その原因として)
強い電場が近くにあったか? (雷放電電流:-数 kA~-30数 kA)
雷雲電界の極性は?
8/7の雲頂高度が高かった(50,000 ft 超)。 (飛行高度:40,000 ~ 47,000 ft)
目視による飛行では雷放電の多発箇所が 特定しにくい。
今後、観測法の検討・改善を行いつつ、観測を継続し データ収集と分析を行う。