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熱ルミネッセンス線量計(ねつるみねっせんすせんりょうけい、熱蛍光線量計、Thermoluminescent Dosimeter、TLD)は、検知器の内部の結晶が加熱されたときにそこから放射される可視光の量を測定することにより、放射線被曝量を測定するための小さな器具である。

概要編集

熱ルミネッセンス線量計には何種類かあり、測定したい放射線の種類に応じて内部の結晶が異なる。 フッ化カルシウムガンマ線フッ化リチウムはガンマ線と中性子線の測定に使われる。 このほか、メタホウ酸リチウム等も用いられる。

放射線がその結晶と相互作用したとき、結晶の原子にある電子がより高いエネルギー準位に飛び出し、結晶中の不純物(多くはマンガン)のためにトラップされ、加熱されるまでそこに留まる。 結晶を加熱することによりその電子が基底準位まで落ちてくるが、そのときに特定の周波数光子を放出する。 これが熱ルミネッセンス反応である。

放射される光の量は被曝した放射線の量に依存するため、光度を測定することで被曝線量を知ることができる。

熱ルミネッセンス線量計は、加熱した後に結晶がもとに戻るため何度でも再利用できる。 また、フィルムバッジとは異なり、暗室のような特別な設備を必要としない。 安価で軽量、さらに衝撃にも強いという特長もある。

熱ルミネッセンス線量計は、個人の被曝線量の測定、および環境モニタリングに用いられる。 一定期間(1ヶ月または3ヶ月)ごとに回収し、TLD読み取り装置でその期間の積算線量を読み取る。

原理編集

結晶には通常不純物ストレスによる転位などさまざまな理由による格子欠陥が存在する。 これによってポテンシャルが乱れ、部分的にポテンシャルの高いところ低いところなど、でこぼこができる。そこへ自由な電子が導かれてトラップされ、蓄積される。

放射線が照射されると、結晶原子中の電子が励起して伝導帯へ移り自由電子となる。ほとんどはすぐに結晶と再結合するが、そのうちいくらかトラップに捕らえられるものもあり、これが放射線のエネルギーを電気的に蓄えることになる。

被曝した結晶が熱や強い光にさらされると、トラップされた電子は十分なエネルギーを得て解放され、格子中のイオンと再結合して観測可能な特定周波数光子を放出する。放出される光子はトラップされた電子の量に比例し、さらに累積された被曝量に関係する。

年代測定編集

自然放射線宇宙線の被曝総量を測ることを応用し、土器などの土製品・岩石などの年代測定にも熱ルミネッセンスは用いられる。 土器や堆積した土砂などに含まれる鉱物の結晶が、高温にさらされたときや太陽の光を受けたときからの蓄積線量を測定することによって、時間の経過を測定する。土器の年代測定では石英長石が利用される。

準位の深さ(トラップから抜け出るために必要なエネルギー)によってトラップされた電子を蓄えておくことのできる時間が異なる。トラップには蓄えておくことのできる時間が数十万年に及ぶほど十分に深いものもあり、熱ルミネッセンス年代測定では、これら長寿命のトラップを利用する。低温では浅く寿命の短いトラップに捕らえられた電子が解放されて発光するが、高温になるほど深いトラップに捕らえられた電子も十分にエネルギーを得て解放される。石英では330℃以上で数十万年に対応し、通常330度から400度での発光強度を評価する。

トラップの密度は大きく変動する未知数であり、測定中に放出される光の量と被曝した線量を関係付けるためにキャリブレーションをする必要がある。 また年代を決定するには、1年間あたりに試料が被曝した線量を推定する必要もある。

年代測定には、トラップされた電子を一掃する「起点」となるイベントが前提となる。土器や土偶などの土製品は、少なくとも500℃以上に焼成され電子が一掃されるため、胎土となる粘土に含まれる鉱物の被曝量が初期化される[1]。よって焼成時(=製作時)を「起点」として製作年代を測定することが可能となる。岩石の測定では熱にさらされることを、土砂などの堆積物の測定では太陽光にさらされることを仮定する。

年間の被曝線量を推定するには、通常、試料中のウラントリウムアルファ線)とカリウム40の量(ベータ線ガンマ線)を測定する。さらに、試料のおかれていた場所のガンマ線量を測定し、宇宙線量とともに加味することが多い(ガンマ線量は試料のカリウム40の含有量から計算されることもある)。 こうして得られた年間線量で、計測された試料の蓄積線量を割れば、起点から経過した時間が計算される。

熱ルミネッセンス年代測定法は、土器などに放射性炭素年代測定法が利用できない場合によく利用される。 また、河川の砂が堆積している様子などを知るために応用する試みもある。また、食品に付着した土に含まれる石英を利用し、食品への放射線照射有無の検査にも利用されている。

脚注編集

  1. ^ 市川米太は、「熱発光量がゼロになる」(市川1981,p.94)と表現している。

参考文献編集

  • 市川米太「土器の年代をはかる-熱ルミネッセンス法」,馬渕久夫・富永健(編)『考古学のための化学10章』所収,東京大学出版会,1981年