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

8

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・・・。

16

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

17

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。