放射線Ⅰ（pdf） - 鹿児島大学 自然科学教育研究支援センター

可
平成24年度
放射線と物質の相互作用
原子力・放射線と環境
－放射線Ⅰ－
福徳
放射線利用（工業，農業）
康雄
不
自然科学教育研究支援センター
1
α線による電離と励起
放射線が物質粒子に与える影響：
原子への影響と原子核への影響
二次電子（δ線）
一次電離
※原子との非弾性的衝突
載
荷電粒子線と物質を構成する
原子との作用
α粒子（＋）
※電子の再配列と
光子の放出
原子核
3
2
α線の飛跡とBragg曲線
β線と物質の相互作用
飛程：
荷電粒子が物質中に
入射して，原子と散乱
や電離・励起を繰り返
しながら，そのエネル
ブラッグ曲線（Ｂｒaｇｇ曲線 ） ギーを全部失うまで
に進んだ距離
クーロン相互作用
α線の飛跡
イオン対の数
転
励起
※連続スペクトル
制動Ｘ線
※非弾性散乱
※線スペクトル
L軌道
特性Ｘ線
（クーロン電場）
K軌道
散乱電子
原子核
Stop
電離・励起
原子核
散乱電子
α線の通過距離 （ｘ）
4
5
1
positron
電磁放射線と物質を構成する
原子との作用
m0C2（511KeV）
陽電子
e+
消滅γ線
光電効果
コンプトン効果（コンプトン散乱）
電子対生成
消滅γ線
e-
m0C2（511KeV）
電子
可
陽電子消滅
※陽電子イメージング（PET）
不
6
γ線と物質の相互作用（光電効果）
M
軌道電子はγ線の
全エネルギーを自
身の運動エネル
ギーとして原子か
ら飛び出す
L
M軌道
※電磁場
hν
特性Ｘ線
載
K軌道
Eb：電子の結合エネルギー
hν：光子のエネルギー
Z5
光電効果の原子断面積： σphoto µ
(hν) 3.5
クーロン電場
転
hν
原子の軌道電子と衝
突してエネルギーを
失い，波長が長くなる
外殻軌道電子
電子質量の2倍のエネ
ルギーに相当する
1.022 MeV以上のγ線
が原子核の近傍で消
滅し，「電子」と正の電
荷をもつ「陽電子」の
一対が生成される現象
陽電子
※消滅放射
γ線
電子対生成の原子断面積： σpair µ Z 2 ( hν- 2meC 2 ) 10
θ
入射γ線
コンプトン散乱の
σcompton
原子断面積：
φ
µ
8
γ線と物質の相互作用（電子対生成）
電子
散乱γ線
※光子と電子の弾性散乱
γ線による物質
中の原子・分子
の電離・励起は
光電子によって
起こる
L軌道
γ線と物質の相互作用
（コンプトン散乱）
光電子
Ee= hν-Eb
K
7
Z
(hν)
高速二次電子
（反跳電子）
※連続スペクトル
9
中性子と物質の相互作用
散乱
弾性散乱
非弾性散乱
吸収・捕獲
荷電粒子放出反応
放射線の遮蔽
11
2
弾性散乱
※ 0.5MeV以上
速中性子
弾性散乱のミクロ
断面積は高エネル
ギーでは小さくな
る。中性子のエネ
ルギーが核の励起
エネルギー（およ
そ1MeV）より低いと
きに起こりやすい
付近の原子・分子を「電離・励
起」しながらエネルギーを失う
AＸ（n,γ）A+1Ｘ
反跳陽子
γ線
※軽い核
※減速材
水素原子
熱中性子
非弾性散乱
熱中性子
γ線
重い核との非弾性散乱のミク
ロ断面積は高エネルギーでは
大きくなる
励起核
※ 重い核
※中性子の減速
速中性子
（n，γ）反応の代表例
59Co（n,γ）60Co
散乱中性子
励起核
中性子と物質の相互作用
-吸収（捕獲）-
可
中性子と物質の相互作用-散乱-
不
12
アルファ（α）線
低速中性子
※100eV以下
励起核
Ｘ線，ガンマ（γ）線
透過力大
中性子線
Ｘ（n,α）Ｙ
載
励起核
透過力中
遮蔽は困難
10B(n,α)7Li
熱中性子
13
透過力小
ベータ（β）線
Ｘ（n,p）Ｙ
14N（n,p）14C
※放射化
α粒子
※0.5eV以下
(n,γ) 2H
放射線の遮蔽と外部被ばくの防護
中性子と物質の相互作用
-荷電粒子放出反応例陽子
1H
※原子炉の制御
※BF3カウンター
（中性子検出器）
紙
薄板Al，1cm厚 コンクリート
プラスチック 鉛板，厚い鉄板
水
外部被ばくに対する低減効果
14
木造
10%
コンクリート
80%＜
15
放射線利用の経済規模
（8兆8千億円）
転
放射線利用の経済規模
エネルギー利用
（53％）
と工業，農業利用
4兆7千億円
放射線利用
（47％）
4兆1千億円
（平成17年度調査）
16
17
3
可
工業利用の分類
放射線利用の内訳
放射線の性質（透過力）の利用
医学・医療利用
（37％）
計測機器
工業利用
（56％）
非破壊検査
農業利用
（7％）
放射線の特徴（電離・励起作用）
半導体加工（59%）
照射設備（20%）
放射線滅菌（7%）
その他（14%）
放射線加工
環境負荷物質の処理
不
18
蛍光X線分析の概念図
放射線利用分析法
励起用線源 ※シンクロトロン放射光
（γ線，X線，電子線，陽子線など）
放射線源
分類
電子線（Ⅹ線，SR）
荷電粒子線
原子炉（RI）
γ線分析
光量子放射化分析
荷電粒子放射化分析
中性子放射化分析
Ⅹ線分析
蛍光Ⅹ線分析
（XRF，EPMA）
粒子線誘起Ⅹ線分析
（PIXE）
蛍光Ⅹ線分析（XRF）
回折法
増幅回路
マルチチャネル
波高分析器
中性子回折（NRD）
オージュ電子分光（AES）
Ⅹ線吸収微細構造分析
（XAFS）
Ⅹ線光電子分光
（XPS，ESCA）
電子顕微鏡（TEM，SEM）
2次イオン質量分析
（SIMS）
ラザフォード後方散乱
分析（RBS）
弾性反跳粒子検出法
（ERDA）
核反応解析法（NRA）
陽電子消滅測定法
メスバウア一分光測定
載
その他
Ⅹ線回折，電子線回折
（XRD，ERD）
19
特性X線検出器
データ読出
装置
Ｘ線スペ
クトル
分析試料
電子線で励起するものをEPMA （Electron
Probe Micro Analysis）
荷電粒子で励起するものをPIXE (Particle
Induced Ｘ-Ray Emission )
自動解析
21
20
非破壊検査とラジオグラフィー
中性子放射化分析の概念図
※高分析感度，非破壊分析
転
中性子放射化分析
日本原子力研究開発機構
JRR-3研究炉
γ線スペクトル分析
手荷物検査
配管のγ線ラジオグラフィ
放射化
カブトムシの冷中性子
ラジオグラフィ
22
23
4
レベル計
可
厚さ計
ガンマ線源
耐火性の構造の容器
検出器
検出器
測定体
線源
化学工業：反応タンク内液面計測
製鉄所：連続鋳造ラインの制御
ポリマーの放射線加工
放射線
鉄，銅の圧延ライン
γ線源：コバルト-60
不
24
紙，フイルム
β線源：クリプトン-85
放射線加工をした製品
重合
エチレン
電子 （ラジカル）
25
※ポリプロピレン発泡体
ポリエチレン
※ポリエチレン発泡体
軽い，断熱性，弾力性
放射線
＊
X
架橋
グラフト
載
放射線
ポリエチレン
架橋高分子
果実輸送用トレイ
*活性点
グラフト物
※耐熱性，機械的性質の向上
※接ぎ木
26
放射線架橋技術（吸水性ハイドロゲル）
転
創傷被覆材（PVAハイドロゲル）
放射線グラフト技術応用研究
放射線グラフト（接ぎ木）重合技術で金属回収用の高分子吸着剤を創製
※電子線
温泉水から希少金属を回収 ホタテ貝中のカドミウム除去
海水中金属採取用吸着剤
バイオマス吸着剤の合成
ハイドロカルチャー
砂漠緑化（納豆樹脂）
28
29
5
半導体デバイス加工による放射線利用
可
リソグラフィー／露光
放射線を用いた排煙処理法
ボイラー排煙
リソグラフィー／エッチング
電子線，エックス線，レーザー
電子加速器
加湿器
マスク
アンモニア
イオン，プラズマ
レジスト
（感光剤）
絶縁膜
半導体
不純物導入／イオン注入
煙突へ
バグフィルター
不純物導入／中性子転換ドーピング
※環境保全への
放射線利用
※酸性雨
硫安・硝安
電子ビーム排煙処理装置
不
30
（原研の研究活動
と成果，1997年）
反応器
31
ゴッホ作：「ドービニーの庭」
内臓を模した金
属製の「五臓」
黒猫
加筆部分
スイスのバーゼル美術館
載
ひろしま美術館所蔵
ひろしま作品加筆部分
（九州国立博物館）
クロム元素と鉄元素の
マッピング部分
エックス線分析顕微鏡
32
33
放射線育種
第一世代
農業における放射線の利用
転
聖福寺「釈迦如来坐像」の
エックス線透過写真
ガンマ線とエックス線
120品種の種苗登録（ガンマ線利用）
レイメイ，美山錦，低アレルギー性品種
放射線育種
第二世代
害虫駆除
※半矮性，耐倒伏性
※酒米
熱中性子
食品照射（滅菌，保存）
第三世代
重粒子線（イオンビーム）
カーネーション，無側枝キク（「新神」）など
34
35
6
照射塔
土 手
ガンマーフィールドの照射塔
100m
強
弱
ガンマーフィールド
放射線育種場と
サイクロトロン
炭素原子
（中性）
ECRイオン源
細胞への照射
電子
遺伝子変異
細胞核
炭素イオン 12C5+
（プラス荷電）
低LET
点突然変異
γ線；1Gy当り2,000スパー
細胞核
載
+
※イオンビーム：加速されたイオンの束
プラスの電圧
クラスター損傷
マイナスの電圧
38
大きな構造変化
高LET
炭素イオン；1Gy当り4トラック
39
イオンビームの種子照射
AVFサイクロトロン
イオンビームによる育種の利点
転
37
イオンビームによる突然変異誘発の特徴
加速器でイオンビームを作る
イオン化
日本原子力研究開発機構高崎量子応用研究所
不
36
可
イオンビーム突然変異
を利用した育種
12C5+
220MeV
真
空
真
空
変異の誘発率が高い
変異のスペクトルが広い
ビーム取出窓
（ヘリウムガス）
付随する変異が少ない
ビーム取出窓
アクリル製ドーナツ板
Al製コリメータ
カプトン膜
寒天（10mm厚さ）
パレット
40
41
7
元のトレニア
元のバラ
イオン粒子
遺伝子の破壊
イオンビームによる品種改良（秋輪ギク）
可
イオンビームによる突然変異の誘発
神馬
新神
新神２
側枝の出ない冠婚葬祭用白輪菊
突然変異
（鹿児島県バイオテクノロジー研究所）
不
イオンビームによって得られたトレニアやバラの花色および花形の変異体
トルコギキョウの新品種
害虫駆除
と放射線
43
ウリミバエ
メス♀
オス♂
Co-60ガンマ線照射
鹿児島大学，橋本文雄准教授
らのグループ
不妊♂ ガンマ線照射施設
野生♀
受精卵
孵化しない
載
イオンビームの利用
※植物検疫法
※農薬，環境汚染，農薬抵抗性
ヘリコプターでの
不妊虫放飼
根絶
45
食品照射
放射線による害虫の撲滅
ウリミバエ（ゴーヤなどウリ類の害虫）
の根絶 – 沖縄県（1993年）
転
530億匹の不妊虫の放飼，費用170億円
ウリミバエの根絶 –鹿児島県（1989年）
北海道・士幌町ジャガイモ照射施設
アリモドキゾウムシ（イモの害虫）の根絶
目的
防除事業 - 喜界島
※無農薬
照射を行ったジャガイモ(右)と
未照射のもの(左)
収穫後の腐敗，害虫による損耗，食中毒防止
2001年開始
利用状況
市場の0.6%のジャガイモの発芽防止のみ許可
46
危険性はない
放射化しない
47
8
国
名
アルゼンチン
食
品
類
香辛料，乾燥野菜
国
名
日本
食
品
類
馬鈴薯
ベルギー
香辛料，冷凍魚介類
韓国
香辛料，朝鮮ニンジン粉末
フランス
香辛料，乾燥果実，鶏
肉等
オランダ
香辛料，冷凍魚介類，チーズ
チリ
香辛料等
ボーランド
香辛料等
中国
ニンニク，香辛料等
南アフリカ
香辛料，ニンニク等
カナダ
香辛料等
タイ
発酵ソーセージ，香辛料
ハンガリー
香辛料等
ウクライナ
穀類
インドネシア
香辛料等
イギリス
病人食，香辛料
イスラエル
香辛料等
米国
香辛料，果実，鶏肉
転
載
不
国連合同専門委員会安全宣言（1980年）：線量が10kGy以下であ
れば，食品としての健全性は損なわれず，衛生学的，栄養学的，微
生物学的観点から問題はない
48
可
食品照射を実用化している国と食品類
9