2013年10月17日
中村秀仁 原子炉実験所助教（放射線医学総合研究所客員協力研究員、千葉市科学都市戦略専門委員）、高橋千太郎 同副所長?教授、佐藤信浩 同助教、白川芳幸 放射線医学総合研究所部長、北村尚 同係長、新治修 株式会社クラレ グループリーダー、斎藤堅 同部員らの研究チームは、放射線によりプラスチックで生じた光の挙動を超高純度化により大幅改善しました。
本研究成果は、2013年10月16日（米国時間）に、米国物理学協会速報誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。
図：高纯度化したポリスチレン
放射线により光を生じるプラスチックは、素粒子?原子核実験から福岛県での除染作业时などの放射线计测に至る、さまざまな分野で幅広く使用されています。そのため、放射线により発する光の挙动をより详しく理解することで、高い信頼度で放射线?放射能を测定できます。
当研究チームは、そのプラスチックの一つとして知られているポリスチレンを超高纯度（99.9％以上）で製造し、放射线により生じた紫外光の伝搬距离を、一般的に使用されているポリスチレンと比べ数十倍以上増长することに成功しました。また、この紫外光の伝搬を详しく把握するためには、长波长のナトリウムの顿线で値付けされた屈折率では不十分であることを示し、放射线により生成された光の波长分布を考虑した「有効屈折率」を提唱しました。この有効屈折率を使用することにより、信頼性?精度の高い测定が可能になります。
これらの知见は、光の伝搬等、放射线计测机器の设计の基本的な部分の精緻化に大いに寄与するものです。特に、素粒子?原子核実験といった基础科学分野での利用から除染作业に至る幅広い分野で使用されているファイバー型の特殊なプラスチック（シンチレーションファイバー、ウェブレングスシフターなど）による放射线?放射能计测の精緻化、高度化に効果を発挥するものとして期待されています。
背景
放射线により光を放つプラスチックは、素粒子?原子核実験といった基础科学分野から福岛県での除染作业时での放射线计测など、さまざまな形状のものが数多く使用されています。このプラスチック素材を改善し、放射线により生じる光の挙动をよりよく理解することで、信頼度の高い放射线?放射能情报を得ることができます。そこで今回、性能改善を目指して新たに高纯度の素材を製作し、生じた光の动きを适切に表现することにより、より信頼度の高い放射线?放射能情报を得ることを目指しました。
研究手法?成果
放射线により生じた光の伝搬を表す基本的なデータに、発生した光の强度が约0.36倍まで减少する距离を示す减衰长と、屈折や反射の状态を示す屈折率?反射率があります。従来、プラスチックであるポリスチレンの减衰长は1尘尘程度と非常に短いことが知られていました。中村助教らは、超高纯度（99.9％以上）のポリスチレンを製造し、これに放射线を照射することにより生じた光の挙动を详しく调べました。その结果、高纯度化したポリスチレンの减衰长は41.6尘尘であり、一般的に使用されているポリスチレンと比べ数十倍以上长いことが明らかになりました。また、その屈折率には惯例的に黄色（ナトリウムの顿线、589苍尘）の波长によるものが使用されてきましたが、放射线をより厳密に测定することを想定し、放射线により生じた光の波长の分布を考虑した屈折率（「有効屈折率（狈eff）」と名付けました）を求める関数を考案し、これを用いることで放射线の测定精度が向上することを明らかにしました。ポリスチレンにおける有効屈折率は、ナトリウムの顿线领域の値（狈D=1.59）よりはるかに高い狈eff=1.67であることが求められました。なお、この関数は、放射线により光を生じる他の素材にも使用することができます。
波及効果
本研究により、プラスチック内で生じた光の挙动に関する基本的な特性が一层明らかとなり、その结果、発生する光の様子、すなわち测定する放射线について、より精緻な理解ができるようになりました。特に、ファイバー型の特殊なプラスチックに応用することで、出力される値の评価や、光の伝搬の様子をシミュレーションするために使用される初期値の信頼度を大幅に改善するものであることから、直接、放射线?放射能测定の高性能化を実现できるものと期待されています。
本研究は、原子炉実験所、放射线医学総合研究所、株式会社クラレの协力により行われました。
用语解説
プラスチックシンチレーションファイバー
コア（内侧）が蛍光剤入りのポリスチレン树脂、クラッド（外侧）がメタクリル系树脂とフッ素树脂の二重构造（クラレ独自）になっているプラスチック製光ファイバー。放射线が当たると光るという性质をもち、放射线検出用素材として20年以上の使用実绩がある。クラレは独自製法により光学性能?寸法精度ともに优れた製品の製造に成功し、メタクリル树脂の生产事业所である新潟事业所で生产している。
书誌情报
[DOI]
Hidehito Nakamura, Yoshiyuki Shirakawa, Hisashi Kitamura, Nobuhiro Sato, Osamu Shinji, Katashi Saito and Sentaro Takahashi
"Light propagation characteristics of high-purity polystyrene"
Applied Physics Letters, 103, 161111 （2013）
- 京都新聞（11月23日 9面）、日刊工業新聞（10月17日 20面）、読売新聞（11月4日 17面）および科学新聞（11月1日 1面）に掲載されました。