日本原子能机构（委员长：冈崎敏夫）、产业技术综合研究所应用量子束研究部组长叶岛良一（委员长：吉川博之）测量前沿研究部首席研究员 Hiroyuki Toyokawa 领导的联合研究小组国立大学法人京都大学能源科学技术研究所的大垣秀明教授（校长松本博司）正在研究高能电子与激光碰撞产生的伽马射线束。激光康普顿散射伽马射线」１），可以使用8170_8197|同位素2）并测量其位置和形状。
传统的X射线透射成像技术可以根据物体的密度差异来识别物体的内部形状，但无法识别物体中含有的同位素。核电站处理的燃料棒和放射性废物含有多种同位素，包括裂变材料。对于安全高效的核燃料循环来说，对物体中所含同位素的浓度、位置和形状进行无损测量是必要的。
因此，该研究小组开发了一种系统，其中每种同位素选择性地与独特能量的伽马射线发生反应核共振荧光散射3）利用这种现象，通过选择与想要检测的同位素相匹配的伽马射线能量，用伽马射线照射物体，并检测从物体散射的伽马射线，可以检测到该同位素的存在。实验在米乐m6官方网站的电子加速器（TERAS)4）完成的样品是一个20毫米见方的铅块（含有铅同位素铅208），上面覆盖着厚（15毫米或以上）铁板。该样品的能量 55兆电子伏5）（与铅208的共振能量相同的能量），在改变照射位置的同时照射13mm厚的伽马射线束，通过测量从样品散射的伽马射线，成功地获得了覆盖有厚铁的铅块的位置和形状。
这项研究预计将利用激光-康普顿散射伽马射线来测量放射性废物中长寿命核素的浓度，探测隐藏在货物中的核材料和爆炸物等。
这项研究的结果将于 3 月 6 日发表应用物理快车它将在杂志上发表。
使用 X 射线观察物体内部的技术得到广泛应用，例如医学 X 射线摄影和机场行李检查。这种X射线透视法是根据物体内部的密度差异来测量物体的形状和材质（例如区分金属和塑料），但如果物体被几厘米钢之类的东西遮挡，就无法看透内部。此外，这种X射线荧光镜不能识别构成物体的元素的同位素。例如，元素铯的同位素Cs-133（非放射性）和Cs-134、Cs-135和Cs-137（放射性），但这四种同位素具有几乎相同的密度，并且对于X射线的表现（透射率和吸收率）相同，因此无法通过X射线透视来区分它们。核发电产生的废物中含有铯等多种同位素，但识别同位素和透视物体内部的技术尚未投入实际应用。
该研究小组利用核磁共振荧光散射（核磁共振荧光，以下简称NRF。 ）被使用。同位素的原子核具有独特的频率（激发能级），具体取决于其组成质子和中子的数量。通过观察能量与该频率匹配的伽马射线入射时出现的荧光，可以确定同位素的存在。此外，NRF中使用的伽马射线能量为几兆电子伏，可以穿过几厘米长的钢板，从而可以透过厚厚的屏蔽看到内部。
NRF 中使用的伽马射线最好具有适合同位素核自然振动的窄能谱。为了产生具有均匀能量（单色）的伽马射线，我们使用了“激光康普顿散射”，这是激光和电子之间的碰撞散射。
图1显示了本研究的测量原理。每种同位素都有独特的激发态，并且照射伽马射线以匹配您想要测量的同位素的激发能量。伽马射线基本上不会与目标物质中的非预期同位素相互作用。因此，大多数伽马射线要么被原子透射，要么被原子散射。如果存在目标同位素，就会发生原子核的激发和去激发反应（伽马射线的吸收和发射）。这个过程就是核荧光共振散射。核荧光共振散射发射伽马射线，其能量等于感兴趣同位素特定的激发能量。这种伽马射线的能量有几兆电子伏，足以穿透铁等几厘米的防护罩。
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图 1：所提出的测量方法的原理。每种核素（同位素）的原子核都有独特的激发态，并且各自具有不同的激发能。当用等于特定激发能量（例如5512keV）的伽马射线照射待测同位素（例如铅208）时，5512keV的伽马射线被铅208吸收。在从激发态去激发的过程中，lead-208向各个方向发射能量等于激发能的伽马射线。通过检测该同位素发出的伽马射线，我们可以了解隐藏在内部的同位素类型。
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该实验使用安装在米乐m6官方网站（茨城县筑波市）同步加速器辐射设施TERAS的激光康普顿散射伽马射线装置进行。 TERAS 是一个用于产生同步辐射的电子存储环，电子围绕它运行。将电子能量调节至570MeV并与波长1064nm的激光碰撞。这次碰撞产生了最大能量为 57 MeV 的激光康普顿散射伽马射线。用该伽马射线照射目标样品。
目标样品是尺寸为5cm x 5cm x 5cm的铁块。里面藏着一块2厘米×2厘米×5厘米的铅块。从受伽马射线照射的表面看，只能看到铁，看不出铅块在哪里。
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图2：米乐m6官方网站同步辐射装置（TERAS）的实验设备布局
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图 3：实验中使用的样品和测量系统。样品是一个20毫米见方的铅块（含52%铅208），周围环绕着一块15毫米的铁板。对该样品照射伽马射线束，使用Ge检测器测定样品中的铅208引起的核共振荧光散射所产生的伽马射线。
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图 4：加速器室内部照片。激光从左侧的激光装置发出。
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从样品散射的伽马射线被收集在与伽马射线照射轴成 90 度角放置的大容量阵列中Ge（锗）半导体探测器6）锗半导体探测器可以以高分辨率（dE/E ~ 02%）测量伽马射线能量。因此，如果产生铅核共振荧光散射伽马射线，可以用Ge半导体探测器进行测量。
测量过程中，伽马射线照射位置以4mm的间隔（有时为2mm）移动，以找到隐藏在铁块内的铅块的位置。在存在铅的位置，5512 keV 的伽马射线被铅中所含的铅 208 的核共振荧光散射吸收并发射。这种 5512keV 伽马射线可以用放置在 90 度的 Ge 半导体探测器进行测量。如果不存在铅，由于这些特定的共振，不会发射伽马射线。
通过改变位置并测量5512keV伽马射线的强度，我们能够找出隐藏在铁块内的铅的位置和形状。
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图 5：使用 Ge 半导体探测器测量的部分能谱。 (a) 当铅存在于伽马射线轴上时。 (b) 在不含铅的情况下。当存在铅时，可以清楚地测量由于铅208在5512 keV处的核共振荧光散射而产生的伽马射线。
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图6：获得的铅块的位置和形状。纵轴是伽马射线照射位置，横轴是来自lead-208的核共振荧光散射伽马射线的检测量。
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这个实验证明，通过使用我们提出的激光-康普顿散射伽马射线，可以实现一种可以穿透几厘米厚的铁等，并测量内部任何元素（其同位素）的技术，这是以前无法测量的。
目前，JAEA 使用现有的激光康普顿散射伽马射线，107我们正在推动两倍亮度设备的研发。如果这样的技术实现，不仅可以利用核电对放射性废物中含有的放射性同位素进行无损检测，还可以在港口、机场等进行各种透明、无损的检查。