電離放射線はどこにでもあります。 宇宙から宇宙線としてやってくる。 それは、放射性ラドンとその子孫からの放出として空気中にあります。 自然界に存在する放射性同位元素は、すべての生物の体内に入り、残ります。 それは避けられない。 実際、この惑星上のすべての種は、電離放射線の存在下で進化しました。 少量の放射線にさらされた人間は、すぐに明白な生物学的影響を示さないかもしれませんが、電離放射線が十分な量で与えられた場合、害を引き起こす可能性があることは間違いありません. これらの効果は、種類と程度の両方でよく知られています。
電離放射線は害を及ぼす可能性がありますが、多くの有益な用途もあります。 放射性ウランは、多くの国で原子力発電所で発電しています。 医学では、内部の損傷や病気を診断するために X 線が X 線写真を作成します。 核医学の医師は、放射性物質をトレーサーとして使用して、内部構造の詳細な画像を形成し、代謝を研究します。 治療用放射性医薬品は、甲状腺機能亢進症やがんなどの障害を治療するために利用できます。 放射線療法の医師は、ガンマ線、パイ中間子線、電子線、中性子線、およびその他の種類の放射線を使用して癌を治療します。 技術者は、油井の検層作業や土壌水分密度計に放射性物質を使用しています。 産業用放射線技師は、品質管理に X 線を使用して、製造されたデバイスの内部構造を調べます。 建物や航空機の出口標識には放射性トリチウムが含まれており、停電時に暗闇で光ります。 家庭や商業ビルの多くの煙感知器には、放射性アメリシウムが含まれています。
電離放射線と放射性物質のこれらの多くの使用は、生活の質を向上させ、さまざまな方法で社会に役立ちます。 各使用の利点は、常にリスクと比較する必要があります。 リスクは、放射線または放射性物質の適用に直接関与する労働者、公衆、将来の世代、環境、またはこれらの組み合わせに及ぶ可能性があります。 政治的および経済的な考慮事項を超えて、電離放射線が関与する場合、利益は常にリスクを上回らなければなりません。
電離放射線
電離放射線は、原子や分子から電子を分離させる光子を含む粒子で構成されています。 ただし、紫外線などの比較的低エネルギーの一部の種類の放射線も、特定の状況下でイオン化を引き起こす可能性があります。 これらのタイプの放射線を、常に電離を引き起こす放射線と区別するために、通常、電離放射線の任意のエネルギー下限が約 10 キロ電子ボルト (keV) に設定されています。
直接電離放射線は荷電粒子で構成されています。 このような粒子には、高エネルギー電子 (ネガトロンと呼ばれることもあります)、陽電子、陽子、アルファ粒子、荷電中間子、ミューオン、および重イオン (電離原子) が含まれます。 このタイプの電離放射線は、主にクーロン力によって物質と相互作用し、電荷によって原子や分子から電子を反発または引き付けます。
間接電離放射線は、非荷電粒子で構成されています。 最も一般的な種類の間接電離放射線は、10 keV を超える光子 (X 線とガンマ線) とすべての中性子です。
X 線とガンマ線の光子は物質と相互作用し、少なくとも XNUMX つの異なる方法でイオン化を引き起こします。
- 低エネルギーの光子は、主に光電効果を介して相互作用します。光電効果では、光子がそのエネルギーのすべてを電子に与え、電子が原子または分子を離れます。 光子が消える。
- 中間エネルギーの光子は、主にコンプトン効果を通じて相互作用します。この効果では、光子と電子が本質的に粒子として衝突します。 光子は減少したエネルギーで新しい方向に進み続けますが、放出された電子は残りの入射エネルギー (原子または分子への電子の結合エネルギーより少ない) で消えます。
- ペア生成は、1.02 MeV を超えるエネルギーを持つ光子に対してのみ可能です。 (ただし、1.02 MeV 付近では、依然としてコンプトン効果が支配的です。より高いエネルギーでは対生成が支配的です。) 光子が消え、その場所に電子-陽電子対が現れます (これは、運動量保存とエネルギーの考慮事項）。 電子-陽電子ペアの総運動エネルギーは、光子のエネルギーから電子と陽電子の静止質量エネルギーの合計 (1.02 MeV) を差し引いたものに等しくなります。 これらの高エネルギーの電子と陽電子は、直接電離放射線として進行します。 運動エネルギーを失うと、陽電子は最終的に電子に遭遇し、粒子は互いに消滅します。 次に、0.511 つの (通常は) 180 MeV の光子が、互いに XNUMX 度の角度で消滅サイトから放出されます。
与えられた光子は、1.022 MeV を超えるエネルギーを持つ光子に対してのみペア生成が可能であることを除いて、これらのいずれかが発生する可能性があります。 光子のエネルギーと、光子が相互作用する物質によって、どの相互作用が最も発生する可能性が高いかが決まります。
図 1 は、光子エネルギーと吸収体の原子番号の関数として、各タイプの光子相互作用が支配的な領域を示しています。
図 1. 物質における光子の XNUMX つの主な相互作用の相対的な重要性
中性子と物質との最も一般的な相互作用は、非弾性衝突、中性子捕獲 (または放射化)、および核分裂です。 これらはすべて原子核との相互作用です。 中性子と非弾性的に衝突する原子核は、より高いエネルギー準位のままになります。 このエネルギーは、ガンマ線の形で放出するか、ベータ粒子を放出するか、またはその両方で放出できます。 中性子捕獲では、影響を受けた原子核が中性子を吸収し、エネルギーをガンマ線、X線、ベータ粒子、またはその両方として放出することがあります。 次いで、二次粒子は、上述のようにイオン化を引き起こす。 核分裂では、重い原子核が中性子を吸収し、ほぼ常に放射性を持つ XNUMX つの軽い原子核に分裂します。
量、単位および関連する定義
国際放射線単位測定委員会 (ICRU) は、国際的に受け入れられている放射線と放射能の量と単位の正式な定義を作成しています。 国際放射線防護委員会 (ICRP) も、放射線の安全性で使用されるさまざまな量と単位の定義と使用に関する基準を設定しています。 放射線安全で一般的に使用されるいくつかの量、単位、および定義の説明を以下に示します。
吸収線量. これは、電離放射線の基本的な線量測定量です。 基本的には、単位質量あたりの電離放射線が物質に与えるエネルギーです。 正式には、
コラボレー D は吸収線量、de 質量 d の物質に与えられる平均エネルギーm. 吸収線量の単位は、XNUMX キログラムあたりのジュール (J kg-1）。 吸収線量の単位の特別な名前はグレイ (Gy) です。
アクティビティXNUMX. この量は、単位時間あたりの特定の核エネルギー状態からの核変換の数を表します。 正式には、
コラボレー A は活動、dN は、時間間隔 d における特定のエネルギー状態からの自然核遷移の数の期待値です。t. 放射性核種の数に関係しています N で：
ここで、l は減衰定数です。 アクティビティには逆秒の単位があります (s-1）。 活動単位の特別な名前はベクレル (Bq) です。
崩壊定数 （l）。 この量は、特定の放射性核種の核変換が発生する単位時間あたりの確率を表します。 減衰定数の単位は逆秒 (s-1）。 半減期が関係している t½ 放射性核種の
崩壊定数 l は、放射性核種の平均寿命 t に次のように関連しています。
活動の時間依存性 A(t) および放射性核種の数 N(t) で表すことができます。 
& 
。
確定的な生物学的効果. これは電離放射線によって引き起こされる生物学的影響であり、吸収線量が少ない場合は発生確率はゼロですが、吸収線量のあるレベル (しきい値) を超えると急激に 100 (XNUMX%) まで増加します。 白内障の誘発は、確率的生物学的効果の一例です。
実効線量. 実効線量 E は、体のすべての組織と臓器における重み付けされた等価線量の合計です。 これは放射線安全量であるため、比較的短期間に大量の吸収線量が照射される場合には、その使用は適切ではありません。 それは次のように与えられます:
コラボレー w T は組織加重係数であり、 HT は組織 T の等価線量です。実効線量の単位は J kg です。-1. 実効線量の単位の特別な名前はシーベルト (Sv) です。
等価線量. 等価線量 HT は、（ある点ではなく）組織または臓器で平均化され、関心のある放射線の質に重み付けされた吸収線量です。 これは放射線安全量であるため、比較的短期間に大量の吸収線量が照射される場合には、その使用は適切ではありません。 等価線量は次の式で与えられます。
コラボレー DT、R は、放射線 R による組織または臓器 T で平均化された吸収線量であり、 w R
は放射線加重係数です。 等価線量の単位は J kg-1. 等価線量の単位の特別な名前はシーベルト (Sv) です。
半減期. この量は、放射性核種サンプルの放射能が XNUMX/XNUMX に減少するのに必要な時間です。 同等に、これは、特定の放射性状態にある特定の数の原子核が XNUMX 分の XNUMX に減少するのに必要な時間です。 基本単位は秒ですが、通常は時間、日、年でも表されます。 特定の放射性核種の半減期 t½ は減衰定数 l に次のように関連しています。
線形エネルギー伝達. この量は、荷電粒子が物質を横切るときに単位長さあたりに物質に与えるエネルギーです。 正式には、
コラボレー L は線形エネルギー伝達です (別名 直線衝突阻止力) と de は、距離 d を移動する際に粒子によって失われる平均エネルギーです。l. 線形エネルギー伝達 (LET) の単位は J m-1.
平均寿命. この量は、電離放射線を放出してより低いエネルギー状態に変換される前に、核状態が存続する平均時間です。 基本単位は秒ですが、時間、日、または年で表すこともできます。 これは、減衰定数に次のように関連しています。
ここで、t は平均寿命、l は特定のエネルギー状態における特定の核種の崩壊定数です。
放射線加重係数. これは数字です w R これは、放射線 R の特定の種類とエネルギーに対して、低線量で確率的影響を誘発する際のその放射線の相対的な生物学的効果の値を表しています。 の値 w R は線形エネルギー伝達 (LET) に関連しており、表 1 に示されています。図 2 (次ページ) は、 w R および中性子の LET。
表 1. 放射線加重係数 wR
|
タイプとエネルギー範囲 |
wR 1 |
|
光子、すべてのエネルギー |
1 |
|
電子とミュー粒子、すべてのエネルギー2 |
1 |
|
中性子、エネルギー 10 keV |
5 |
|
10keVから100keV |
10 |
|
>100keV～2MeV |
20 |
|
＞2MeV～20MeV |
10 |
|
>20 MeV |
5 |
|
反跳陽子以外の陽子、エネルギー >2 MeV |
5 |
|
アルファ粒子、核分裂片、重原子核 |
20 |
1 すべての値は、身体に入射する放射線、または内部線源の場合は線源から放出される放射線に関連しています。
2 DNAに結合した核から放出されるオージェ電子を除く。
相対的な生物学的効果 (RBE)。 あるタイプの放射線を別のタイプと比較した場合の RBE は、定義された生物学的エンドポイントと同程度の吸収線量の逆比率です。
図 2. 中性子の放射線加重係数 (滑らかな曲線は近似値として扱われます)
確率的生物学的効果. これは電離放射線によって引き起こされる生物学的影響であり、その発生確率は吸収線量の増加とともに増加し、おそらく閾値はありませんが、その重症度は吸収線量とは無関係です。 がんは、確率的生物学的影響の一例です。
組織加重係数 w T. これは、全身の均一な照射から生じるすべての確率的効果による全体的な損害に対する組織または器官 T の寄与を表します。 これが使用されるのは、等価線量による確率的影響の確率が、照射される組織または臓器に依存するためです。 全身にわたる一様な等価線量は、体のすべての組織および臓器の実効線量の合計と数値的に等しい実効線量を与えるはずです。 したがって、すべての組織加重係数の合計は 2 に正規化されます。 表 XNUMX は、組織加重係数の値を示しています。
表 2. 組織の重み係数 wT
|
組織または臓器 |
wT 1 |
|
生殖腺 |
0.20 |
|
骨髄（赤） |
0.12 |
|
コロン |
0.12 |
|
肺 |
0.12 |
|
胃 |
0.12 |
|
膀胱 |
0.05 |
|
胸 |
0.05 |
|
肝臓 |
0.05 |
|
食道 |
0.05 |
|
甲状腺 |
0.05 |
|
肌 |
0.01 |
|
骨の表面 |
0.01 |
|
残り |
0.052、3 |
1 この値は、男女同数で幅広い年齢層の参照母集団から作成されています。 実効線量の定義では、労働者、全人口、および性別に適用されます。
2 計算のために、残りは次の追加の組織と器官で構成されています: 副腎、脳、上部大腸、小腸、腎臓、筋肉、膵臓、脾臓、胸腺、および子宮。 リストには、選択的に照射される可能性が高い臓器が含まれています。 リストの一部の臓器は、がん誘発の影響を受けやすいことが知られています。
3 残りの組織または臓器の 0.025 つが、重み係数が指定されている 0.025 の臓器のいずれかの最高線量を超える等価線量を受ける例外的なケースでは、その組織に XNUMX の重み係数を適用する必要があります。または臓器であり、上で定義された残りの残りの平均線量に対して XNUMX の重み係数。