電離放射線の種類

アルファ粒子

アルファ粒子は、4 つの陽子と XNUMX つの中性子が密に結合した集合体です。 これは、ヘリウム XNUMX (⁴彼）核。 実際、運動エネルギーのほとんどを失った後の最終的な運命は、XNUMX つの電子を捕獲してヘリウム原子になることです。

アルファ線を放出する放射性核種は、一般に比較的重い原子核です。 ほとんどすべてのアルファエミッターは、鉛の原子番号以上の原子番号を持っています (⁸²鉛）。 原子核がアルファ粒子を放出して崩壊すると、原子番号 (陽子の数) と中性子の数の両方が 238 減少し、原子質量番号は XNUMX 減少します。 たとえば、ウラン XNUMX のアルファ崩壊 (²³⁸U) トリウム-234 (²³⁴Th) は次のように表されます。

左の上付き文字は原子質量数 (陽子と中性子の数)、左の下付き文字は原子番号 (陽子の数)、右の下付き文字は中性子の数です。

一般的なアルファ エミッターは、運動エネルギーが約 4 ～ 5.5 MeV のアルファ粒子を放出します。 このようなアルファ粒子の空気中の範囲は、約 5 cm 以下です (図 1 を参照)。 表皮 (皮膚の保護層、厚さ 7.5 mm) を貫通するには、少なくとも 0.07 MeV のエネルギーを持つアルファ粒子が必要です。 通常、アルファ エミッターは外部放射線の危険をもたらしません。 体内に取り込まれた場合にのみ危険です。 アルファ粒子は短い距離にエネルギーを蓄積するため、線形エネルギー伝達 (LET) 放射が大きく、放射加重係数が大きくなります。 通常、 w _R= 20。

図 1. 15 m と 760 m での空気中のスロー アルファ粒子の範囲エネルギー放射

ベータ粒子

ベータ粒子は非常にエネルギーの高い電子または陽電子です。 (陽電子は電子の反粒子です。陽電子は、電子とまったく同じ大きさであるが正である電荷を除いて、電子と同じ質量と他のほとんどの特性を持っています。) ベータ放出放射性核種は、原子量が大きいか小さいか。

ほぼ同じ原子質量数の安定核種と比較して過剰な陽子を持つ放射性核種は、核内の陽子が中性子に変換されるときに崩壊する可能性があります。 これが起こると、原子核は陽電子と、ニュートリノと呼ばれる非常に軽く相互作用の少ない粒子を放出します。 (ニュートリノとその反粒子は、放射線防護には関係ありません。) 運動エネルギーのほとんどを放棄すると、陽電子は最終的に電子と衝突し、両方とも消滅します。 生成される消滅放射線は、ほとんどの場合、0.511 度離れた方向に移動する 180 つの XNUMX keV (キロ電子ボルト) の光子です。 典型的な陽電子崩壊は次のように表されます。

ここで、陽電子はβで表されます⁺ nによるニュートリノ。 結果として得られる核種は、元の核種よりも原子質量数が同じで、原子 (陽子) 番号が XNUMX つ大きく、中性子数が XNUMX つ小さいことに注意してください。

電子捕獲は陽電子崩壊と競合します。 電子捕獲崩壊では、原子核が軌道電子を吸収してニュートリノを放出します。 典型的な電子捕獲減衰は次の式で与えられます。

結果として得られる核が最初の核よりも低い総エネルギーを持つ場合、電子捕獲は常に可能です。 ただし、陽電子崩壊では、初期の総エネルギーが 原子 は結果のそれよりも大きい 原子 1.02 MeV 以上 (陽電子の静止質量エネルギーの XNUMX 倍)。

陽電子および電子捕獲崩壊と同様に、ネガトロン (β^–) 崩壊は、ほぼ同じ原子質量数の安定原子核と比較して過剰な中性子を持つ原子核で発生します。 この場合、原子核はネガトロン（エネルギー電子）と反ニュートリノを放出します。 典型的なネガトロン崩壊は次のように表されます。

ここで、ネガトロンはβで表されます^– そして反ニュートリノ by`n ここで、結果として生じる原子核は、XNUMX つの陽子を犠牲にして XNUMX つの中性子を獲得しますが、再びその原子質量数を変更しません。

アルファ崩壊は二体反応であるため、アルファ粒子は離散的な運動エネルギーで放出されます。 ただし、ベータ崩壊は三体反応であるため、ベータ粒子はエネルギーのスペクトルにわたって放出されます。 スペクトルの最大エネルギーは、崩壊する放射性核種に依存します。 スペクトルの平均ベータ エネルギーは、最大エネルギーの約 2 分の XNUMX です (図 XNUMX を参照)。

図 2. から放出されるネガトロンのエネルギー スペクトル ³²P

トリチウムの典型的な最大ベータエネルギー範囲は 18.6 keV (³H) から 1.71 MeV のリン-32 (³²P）。

空気中のベータ粒子の範囲は、運動エネルギー MeV あたり約 3.65 m です。 表皮を貫通するには、少なくとも 70 keV のエネルギーのベータ粒子が必要です。 ベータ粒子は低 LET 放射線です。

ガンマ線

ガンマ線は、原子核が高エネルギー状態から低エネルギー状態に遷移するときに放出される電磁放射線です。 このような遷移では、原子核内の陽子と中性子の数は変化しません。 核は、以前のアルファまたはベータ崩壊に続いて、より高いエネルギー状態のままになっている可能性があります。 つまり、ガンマ線は、アルファ崩壊またはベータ崩壊の直後に放出されることがよくあります。 ガンマ線は、原子核による中性子捕獲と亜原子粒子の非弾性散乱からも発生する可能性があります。 最もエネルギーの高いガンマ線は宇宙線で観測されています。

図 3 は、コバルト 60 の崩壊スキームの写真です (⁶⁰株式会社）。 これは、ニッケル 60 で放出された XNUMX つのガンマ線のカスケードを示しています (⁶⁰Ni) のベータ崩壊に続く 1.17 MeV と 1.33 MeV のエネルギーを持つ ⁶⁰株式会社

図 3. の放射性崩壊スキーム ⁶⁰Co

図 4 は、モリブデン 99 の崩壊スキームの写真です (⁹⁹モ）。 結果のテクネチウム-99 (⁹⁹Tc) 原子核は非常に長い間続く励起状態を持っています (t_½ = 6時間）。 このように励起された原子核を 異性体. ほとんどの励起核状態の半減期は、数ピコ秒 (ps) から 1 マイクロ秒 (μs) の間です。

図 4. の放射性崩壊スキーム ⁹⁹Mo

図 5 は、ヒ素 74 の崩壊スキームの写真です (⁷⁴として）。 これは、いくつかの放射性核種が複数の方法で崩壊することを示しています。

図 5. の放射性崩壊スキーム ⁷⁴として、ネガトロン放出、陽電子放出、および電子捕獲の競合するプロセスを示す（m₀ は電子の静止質量)

アルファ粒子とベータ粒子は物質内で明確な範囲を持ちますが、ガンマ線は物質を通過するときに指数関数的に減衰します (物質内での散乱による蓄積は無視されます)。 ビルドアップを無視できる場合、ガンマ線の減衰は次の式で与えられます。

コラボレー I(x) 距離の関数としてのガンマ線強度 x μ は質量減衰係数です。 質量減衰係数は、ガンマ線エネルギーと、ガンマ線が相互作用する物質に依存します。 質量減衰係数の値は、多くの参考文献で表にされています。 図 6 は、形状が良好な状態での物質中のガンマ線の吸収を示しています (ビルドアップは無視できます)。

図 6. 形状が良好な条件下での Al および Pb における 667 keV ガンマ線の減衰 (破線は多重エネルギー光子ビームの減衰を表す)

ビルドアップは、広いガ​​ンマ線ビームが物質と相互作用するときに発生します。 材料内のポイントで測定された強度は、直接ビームの側面から測定装置にガンマ線が散乱するため、期待される「良好な形状」(狭いビーム) の値に比べて増加します。 ビルドアップの程度は、ビームの形状、材料、およびガンマ線のエネルギーに依存します。

内部変換は、原子核がより高いエネルギー状態からより低いエネルギー状態に変化するときに、ガンマ線放出と競合します。 内部変換では、原子核がガンマ線を放出する代わりに、内部軌道電子が原子から放出されます。 放出された電子は直接電離しています。 放出された電子によって残された空孔を埋めるために、外側の軌道電子がより低い電子エネルギー準位に落ちると、原子は X 線を放出します。 ガンマ放出確率に対する内部変換確率は、原子番号の増加とともに増加します。

X線

X線は電磁波であり、ガンマ線と同じです。 X線とガンマ線の違いはその起源です。 ガンマ線は原子核で発生しますが、X 線は電子の相互作用によって発生します。 X線はガンマ線よりもエネルギーが低いことが多いですが、これはそれらを区別するための基準ではありません. 放射性崩壊によるガンマ線よりもはるかに高いエネルギーを持つ X 線を生成することができます。

前述の内部変換は、X 線生成の XNUMX つの方法です。 この場合、結果として生じる X 線は、軌道電子が遷移するエネルギー準位の差に等しい離散エネルギーを持ちます。

荷電粒子は、加速または減速するたびに電磁放射を放出します。 放出される放射線の量は、粒子の質量の XNUMX 乗に反比例します。 その結果、他のすべての条件が同じであれば、電子は陽子などのより重い粒子よりもはるかに多くの x 放射線を放出します。 X 線システムは、数 kV または MV の大きな電位差にわたって電子を加速することによって X 線を生成します。 その後、電子はタングステン (W) などの高密度で耐熱性のある材料内で急速に減速されます。

このようなシステムから放出される X 線は、約ゼロから減速前の電子が持つ最大運動エネルギーまでの範囲のスペクトルに広がるエネルギーを持っています。 この連続スペクトルに重ね合わされることが多いのは、離散エネルギーの X 線です。 それらは、減速する電子がターゲット材料をイオン化するときに生成されます。 イオン化後に残った空孔を埋めるために他の軌道電子が移動すると、内部変換後に X 線が放出されるのと同様に、離散エネルギーの X 線を放出します。 という 特性 X 線は、ターゲット (アノード) 材料の特性であるためです。 典型的な X 線スペクトルについては、図 7 を参照してください。 図 8 は、典型的な X 線管を示しています。

図 7. 電子が W の K 殻の穴を埋めるときに生成される特性 X 線の寄与を示す X 線スペクトル (X 線の波長はそのエネルギーに反比例します)

X 線は、ガンマ線と同じように物質と相互作用しますが、単純な指数関数的減衰方程式は、連続的なエネルギー範囲での X 線の減衰を適切に表していません (図 6 を参照)。 ただし、低エネルギーの X 線は、材料を通過するときに高エネルギーの X 線よりも急速にビームから除去されるため、減衰の記述は指数関数に近づきます。

図 8. 固定陽極と加熱フィラメントを備えた単純化された X 線管

中性子

一般に、自然放射性崩壊の直接的な結果として中性子が放出されることはありません。 それらは核反応中に生成されます。 原子炉は大量の中性子を生成しますが、粒子加速器や (α, n) 線源と呼ばれる特殊な中性子源も中性子を生成できます。

原子炉は、核燃料中のウラン (U) 原子核が分裂または核分裂するときに中性子を生成します。 実際、原子炉内で核分裂を維持するには、中性子の生成が不可欠です。

粒子加速器は、陽子や電子などの荷電粒子を高エネルギーに加速して中性子を生成し、ターゲット内の安定した原子核に衝突させます。 中性子は、そのような核反応から生じる可能性のある粒子の XNUMX つにすぎません。 たとえば、次の反応では、重水素イオンを加速してベリリウム ターゲットに衝突させるサイクロトロンで中性子が生成されます。

ベリリウムと混合されたアルファ放射体は、持ち運び可能な中性子源です。 これらの (α, n) 源は、反応によって中性子を生成します。

アルファ粒子の発生源は、ポロニウム 210 (²¹⁰ポ）、
プルトニウム-239 (²³⁹Pu) およびアメリシウム-241 (²⁴¹午前）。

中性子は一般に、表 1 に示すように、そのエネルギーに従って分類されます。

表1 運動エネルギーによる中性子の分類

中性子と物質の相互作用には多くの可能なモードが存在しますが、放射線の安全性を目的とした XNUMX つの主なモードは、弾性散乱と中性子捕獲です。

弾性散乱は、高エネルギー中性子が熱エネルギーに還元される手段です。 高エネルギー中性子は、主に弾性散乱によって相互作用し、通常、核分裂を引き起こしたり、中性子捕獲によって放射性物質を生成したりしません。 後者のタイプの相互作用を主に担うのは熱中性子です。

弾性散乱は、中性子が原子核と相互作用し、エネルギーが減少して跳ね返るときに発生します。 相互作用する核は、中性子が失う運動エネルギーを吸収します。 このように励起された後、原子核はすぐにこのエネルギーをガンマ線として放出します。

中性子が最終的に熱エネルギーに達すると (中性子がその環境と熱平衡状態にあるため)、ほとんどの原子核に容易に捕捉されます。 電荷を持たない中性子は、陽子のように正に帯電した原子核によって反発されません。 熱中性子が原子核に接近し、数 fm のオーダで強い原子核力の範囲内に入ると (fm = 10^-15 メートル）、核は中性子を捕獲します。 結果は、光子または他の粒子を放出する放射性核になる可能性があります。 ²³⁵Uと ²³⁹Pu、捕獲核はXNUMXつの小さな核とより多くの中性子に分裂することができます.

運動学の法則は、弾性散乱媒体が多数の軽い原子核を含む場合、中性子がより急速に熱エネルギーに到達することを示しています。 軽い原子核から跳ね返る中性子は、重い原子核から跳ね返る場合よりもはるかに多くの運動エネルギーを失います。 このため、中性子を減速させるには、水と水素含有物質が最適な遮蔽材料です。

中性子の単一エネルギー ビームは、材料内で指数関数的に減衰し、上記の光子の式と同様の式に従います。 与えられた原子核と相互作用する中性子の確率は、次の量で表されます。 断面. 断面には面積の単位があります。 断面の特別な単位は 納屋 (b) 以下によって定義される:

ガンマ線とX線を伴わずに中性子を生成することは非常に困難です。 一般に、中性子が存在する場合、高エネルギー光子も存在すると考えられます。

電離放射線源

原始放射性核種

原始放射性核種は、その半減期が地球の年齢に匹敵するため、自然界に存在します。 表 2 に、最も重要な原始放射性核種を示します。

表 2. 原始放射性核種

ウランとトリウムの同位体は、結果として自然界にも存在する子孫放射性同位体の長い鎖の先頭に立っています。 図 9 AC は、 ²³²あ、 ²³⁸Uと ²³⁵U、それぞれ。 アルファ崩壊は原子質量数 205 以上で一般的であり、アルファ粒子の原子質量数は 4 であるため、重原子核には 9 つの異なる崩壊連鎖があります。 これらのチェーンの XNUMX つ (図 XNUMX、D を参照)、 ²³⁷Np、自然界には存在しません。 これは、原始放射性核種が含まれていないためです (つまり、この鎖には地球の年齢に匹敵する半減期を持つ放射性核種はありません)。

図 9. 崩壊系列 (Z = 原子番号、N = 原子質量番号)    

 ラドン (Rn) 同位体が各鎖に存在することに注意してください (²¹⁹るん、 ²²⁰Rnと ²²²Rn)。 Rn は気体であるため、Rn が生成されると、それが形成されたマトリックスから大気中に放出される可能性があります。 しかし、半減期は ²¹⁹Rn は短すぎて、かなりの量が呼吸ゾーンに到達できません。 の比較的短い半減期 ²²⁰Rn は通常、Rn よりも健康被害の懸念が少なくなります。 ²²²Rn.

Rn を含まない、体外の原始放射性核種は、平均で約 0.3 mSv の年間実効線量を人口に提供します。 実際の年間実効線量は大きく異なり、主にその地域の土壌中のウランとトリウムの濃度によって決定されます。 モナザイト砂が普通に見られる世界のいくつかの地域では、人口のメンバーに対する年間実効線量は約 20 mSv にもなります。 サンゴ環礁や海岸近くなどの他の場所では、この値は 0.03 mSv と低い場合があります (図 9 を参照)。

ラドンは通常、他の自然発生する地上放射性核種とは別に考えられています。 土壌から空気中に浸透します。 空気中の Rn は、Po、ビスマス (Bi)、および Pb の放射性同位体にさらに崩壊します。 これらの子孫放射性核種は、吸い込まれて肺に閉じ込められる可能性のある粉塵粒子に付着します。 アルファ放射体であるため、放射線エネルギーのほとんどすべてを肺に送ります。 このような被ばくによる年間平均肺等価線量は約 20 mSv であると推定されています。 この肺等価線量は、約 2 mSv の全身実効線量に匹敵します。 明らかに、Rn とその派生放射性核種は、バックグラウンド放射線の実効線量に最も大きく寄与しています (図 9 を参照)。

宇宙線

宇宙放射線には、地球の大気に衝突する地球外起源のエネルギー粒子 (主に粒子と主に陽子) が含まれます。 また、二次粒子も含まれます。 主に光子、中性子、ミューオンで、一次粒子と大気中のガスとの相互作用によって生成されます。

これらの相互作用のおかげで、大気は宇宙放射線に対するシールドとして機能し、このシールドが薄いほど、実効線量率が高くなります。 このように、宇宙線の実効線量率は高度とともに増加します。 例えば、高度1,800メートルの線量率は、海面の約XNUMX倍です。

一次宇宙放射線は主に荷電粒子で構成されているため、地球の磁場の影響を受けます。 高緯度に住む人々は、地球の赤道に近い人々よりも宇宙放射線の実効線量を多く受けます。 この影響による変動はオーダです
の10％。

最後に、宇宙線実効線量率は、太陽の宇宙線出力の変調によって変化します。 平均して、宇宙線はバックグラウンド放射線の全身実効線量に約 0.3 mSv 寄与します。

宇宙線放射性核種

宇宙線は、大気中に宇宙線放射性核種を生成します。 これらの中で最も顕著なのはトリチウムです（³H)、ベリリウム-7 (⁷Be)、炭素-14 (¹⁴C) およびナトリウム-22 (²²な）。 それらは、大気ガスと相互作用する宇宙線によって生成されます。 コスモジェニック放射性核種は、年間実効線量約 0.01 mSv を提供します。 これのほとんどは ¹⁴C.

核の放射性降下物

1940 年代から 1960 年代にかけて、地上で核兵器の広範な実験が行われました。 このテストでは、大量の放射性物質が生成され、世界中の環境に配布されました。 放射性降下物. この破片の多くはその後安定同位体に崩壊しましたが、残った少量は今後何年にもわたって被ばくの原因となります。 さらに、時折大気中で核兵器の実験を続けている国は、世界の在庫を増やしています。

現在、実効線量の主な影響要因はストロンチウム-90 (⁹⁰Sr) およびセシウム-137 (¹³⁷Cs)、どちらも半減期は約 30 年です。 放射性降下物による年間平均実効線量は約 0.05 mSv です。

体内の放射性物質

自然に発生する放射性核種の人体への沈着は、主に空気、食物、水中のこれらの物質の吸入と摂取に起因します。 このような核種には、Pb、Po、Bi、Ra、K (カリウム)、C、H、U、および Th の放射性同位元素が含まれます。 これらの、 ⁴⁰K が最大の貢献者です。 体内に蓄積された自然発生の放射性核種は、年間実効線量に約 0.3 mSv 寄与します。

機械生成放射線

医療分野での X 線の使用は、機械が生成する放射線の最大の被ばく源です。 世界中で何百万台もの医療用 X 線システムが使用されています。 これらの医療用 X 線システムへの平均被ばくは、集団のケアへのアクセスに大きく依存します。 先進国では、診断と治療のための X 線と放射性物質からの医学的に処方された放射線による平均年間実効線量は 1 mSv のオーダーです。

X 線は、ほとんどの高エネルギー物理粒子加速器、特に電子と陽電子を加速する加速器の副産物です。 ただし、適切な遮蔽と安全対策に加えて、危険にさらされている人口が限られているため、この放射線被ばく源は上記の線源よりも重要ではありません.

機械で生成された放射性核種

粒子加速器は、核反応によってさまざまな量の多種多様な放射性核種を生成できます。 加速粒子には、陽子、重陽子 (²H核)、アルファ粒子、荷電中間子、重イオンなど。 ターゲット材料は、ほぼすべての同位体で作成できます。

粒子加速器は、事実上、陽電子放出放射性同位体の唯一の供給源です。 (原子炉は、ネガトロン放射によって崩壊する中性子が豊富な放射性同位体を生成する傾向があります。)また、医療用、特に陽電子放出断層撮影法 (PET) 用の短寿命同位体を生成するためにますます使用されています。

技術的に強化された素材と消費財

X 線と放射性物質は、現代の非常に多くの手術の中で、求められたり望まれなかったりして登場します。 表 3 に、これらの放射線源を示します。

表 3. 技術的に強化された材料および消費者製品からの関連集団実効線量の情報源と推定値

出典: NCRP 1987.

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