茨城大学　高エネルギー宇宙物理グループ

　サブMeV領域のエネルギーを持ったガンマ線は宇宙で起こる様々な天体現象を調べるのに有用です。例えば、宇宙でおこる元素合成過程では放射性同位体が生成され、サブMeVのラインガンマ線が放射されるため、その強度とエネルギーが高感度に観測できれば元素合成が行われている場所やそのメカニズムを調べることができます。サブMeVガンマ線は主にコンプトン散乱を引き起こすため、この反応を用いたコンプトンカメラの開発が行われてきていますが、バックグラウンドが卓越する等の技術的な理由でまだ十分な観測が行われていません。

　当研究室ではサブMeV領域のラインガンマ線を高感度かつ高いエネルギー分解能で観測するために、SOI技術を用いた高エネルギー分解能の半導体を用いた電子飛跡追跡型コンプトンカメラの開発を仙台高専、京都大学、宮崎大学、KEK、東京大学との共同研究で行ってきました。大学院修士課程の卒業生である東条さん（2018年度卒業）、加藤さん（2019年度卒業）とともに行ってきた基礎開発に加えて、加賀谷さんが検出器シミュレーターキットGEANT 4を用いて詳細に実験結果を調べた結果、検出器設計どおりの性能が出ていることを実証できました。これにより、今後、サブMeVガンマ線に特化したSOI半導体チップの開発への足がかりを得ることができました。

Mika Kagaya, Hideaki Katagiri, Ryo Kato, Naomi Tojo, Takeshi Go Tsuru, Ayaki Takeda, Yasuo Arai, Kenji Shimazoe, Evaluating the capability of detecting recoil-electron tracks using an electron-tracking Compton camera with a silicon-on-insulator pixel sensor, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 1062, 2024, 169213, ISSN 0168-9002, https://doi.org/10.1016/j.nima.2024.169213

福島県およびその周辺地域の原木シイタケ栽培は東京電力福島第一原子力発電所事故によって被害を受けました。原木に用いることが可能な安全な立木を選定するために，低レベルな放射能汚染地域の屋外の栽培現場でも測定可能な放射能検査装置の開発が必要とされています。私たちは以前、仙台高専、東大などと共同で，安価で可搬型の微量放射能検査装置を開発しました。以前開発した検査装置は、立木を伐採して切り取ったホダ木の放射能を測定することが可能でしたが、測定するためには伐採することが必要でした。このたび開発した検査装置は、放射線セシウム由来の32keVのX線を用いることにより、伐採する前の立木の状態での検査を可能とし、この技術に関する特許が認められました。　

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　福島県およびその周辺地域の原木シイタケ栽培は東京電力福島第一原子力発電所事故によって被害を受けました。安全なホダ木を選定するために，低レベルな放射能汚染地域の屋外の栽培現場でも測定可能な放射能検査装置の開発が必要とされています。私たちは仙台高専、東大などと共同で，安価で可搬型の微量放射能検査装置を開発しました。このたび、この技術に関する特許が認められました。

特許番号：特許第6846800号　J-GLOBALへのリンク

　放射性核種を含む医薬品の体内投与により全身の臓器および生体組織の画像検査を行う核医学診断は癌の早期発見や脳梗塞等の血流異常の診断等に有効であり、SPECT(Single Photon Emission Computed Tomography) 装置の普及により広く臨床応用がなされています。核医学診断の実施検査数は年間約 180万件におよび、中でも SPECT 装置を用いた診断件数は全体の約 6 割を占め、年々増加傾向にあります*1。診断に使用される代表的な放射性医薬品の１つであるテクネチウム99mの投与量は約700MBqと一般に高放射能であるため*1、医薬品の飛散や取りこぼし、取り扱ったゴム手袋や注射器などの医療ごみなどによる医療従事者の被ばくが懸念されます。それらを広視野・高感度のガンマ線カメラにより可視化できれば無用な被ばくを軽減できます。

　広視野・高感度のガンマ線カメラとしてはシンチレータを用いたコンプトンカメラがありますが、これまでのカメラは主に250keV以上の高いエネルギーのガンマ線に対してのみ撮像が可能でした。SPECT 検査に使われる放射性医薬品は主に 250 keV 以下の低エネルギーガンマ線 を放出するため、低エネルギーのガンマ線を広視野・高感度で撮像できるカメラが期待されていました。そのような中、茨城大、東大、北里大、国立がん研究センター東病院、仙台高専、高エネルギー加速器研究機構の研究グループによってフッ化カルシウムシンチレータを用いたコンプトンカメラを開発しました（左図）。フッ化カルシウムシンチレータはガンマ線との相互作用による発光量が大きくかつ原子番号が小さい素材であるため、低エネルギーのガンマ線を撮像可能なコンプトンカメラを作るのに適しています。研究グループは、核医学施設における放射性薬剤を用いた撮像試験を実施し、設計通り低エネルギーガンマ線が撮像できていることを検証しました（右図）。フッ化カルシウムシンチレータは比較的安価であり、今回開発したカメラを普及品として核医学施設に導入できれば医療従事者の被ばくを軽減することができるのではないかと研究グループは考えております。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

（左図）開発したカメラの写真。（右図）核医学施設による放射性薬剤からの撮像試験で得られた画像を全天写真に重ねたもの。黄色い丸が放射性薬剤の位置、赤がガンマ線強度を示している。

　今回の研究成果は、学術雑誌Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section Aに掲載されました。論文へのリンクは　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900221001170　です。

*1 https://www.jrias.or.jp/association/pdf/8th_kakuigakujitaityousa_2018_67_7_339.pdf

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