高エネルギー加速研究機構 放射線科学センター 波戸芳仁 2008年3月　八戸工業高等専門学校 放射線挙動シミュレーション o shield.exe + detecc.exe 高エネルギー加速研究機構 放射線科学センター 波戸芳仁

例１　ベータ線を物質に打ち込む ベータ線 ベータ線は物質で止まってしまうか？通り抜けるか？ 物質の内部でどのような反応が起こるか？

条件設定 *電子ボルト： 1.5 eV 放射線源 90Sr-90Y ベータ線 最大エネルギー 2.3 MeV* 物質 アルミニウム エネルギーの単位 電位差1 Vで加速された電子のエネルギー MeV = 106 eV 1.5 eV 放射線源　 90Sr-90Y ベータ線 最大エネルギー 2.3 MeV* 物質　アルミニウム ベータ線は物質で止まってしまうか？通り抜けるか？ 物質の内部でどのような反応が起こるか？ → 放射線挙動の計算機シミュレーション

2.3 MeV ベータ線→Al 1cm 空気 Al 空気 ベータ線源 50本入射→透過せず 3本反射 X線８本発生(黄色)

2.3 MeV ベータ線→Al 0.25cm 空気 Al 空気 ベータ線源 50本入射→27本透過

アルミ板厚さによる透過ベータ線本数の変化 最大飛程

シミュレーションコード：EGS 103eVから1012eVの電子（ベータ線）、光子（ガンマ線、エックス線）と物質との相互作用の計算 EGS5:　2006年公開、著者：平山、波戸、Bielajew, Wilderman, Nelson 対話型実行プログラム+飛跡表示プログラム EGSを利用 http://rcwww.kek.jp/research/shield/education.html からダウンロード可能

ベータ線と物質との相互作用 ベータ線にとって、物質はどのように見えるか？ →ベータ線にとっては、物質は原子核と電子。 →原子、原子核、放射性物質とは？

私たちの体をふくめ、自然界のすべてのものが原子からできて います。 12, 1:54 私たちの体をふくめ、自然界のすべてのものが原子からできています。 　　私たちの体をふくめ、自然界のすべてのものが原子からできて 　います。

例えばこの花をかたち作っている主要な元素として炭素があります。 13, 2:01 例えばこの花をかたち作っている主要な元素として炭素があります。 例えばこの花をかたち作っている主要な元素として炭素があります。

炭素原子 陽子 中性子 電子 原子番号 ＝ 陽子の数 質量数 ＝ 陽子の数 ＋ 中性子の数 14, 2:07 この炭素原子は、中心に陽子６個、中性子６個からなる原子核と、その周りを陽子と同じ数の電子が回っています。 炭素原子 原子番号　＝　陽子の数 質量数　　 ＝　陽子の数　＋　中性子の数

炭素原子 陽子 中性子 電子 原子番号 ＝ 陽子の数 質量数 ＝ 陽子の数 ＋ 中性子の数 15, 2:20 この陽子の数を「原子番号」といい、また陽子と中性子の数を合わせた物を「質量数」といいます。 炭素原子 原子番号　＝　陽子の数 質量数　　 ＝　陽子の数　＋　中性子の数

16, 2:33 このように自然を構成する元素は、さまざまな原子核からできています。

17, 2:39 その大部分は安定な物ですが、なかには不安定で放射線を放出して安定になろうとする物があります。

18, 2:48 このようすを私たちの体の中にも存在するカリウムについて説明しましょう。

40Ｋ （カリウム ― 40） 不安定な原子核 陽子 中性子 40Ｋ　　（カリウム ― 40） 不安定な原子核 陽子 中性子 19, 2:57 カリウムには原子核が不安定なカリウム４０と、安定なカリウム３９があります。

40Ａｒ （アルゴン ― 40） 安定な原子核 β-線 （高速の電子） 40Ａｒ　　（アルゴン ― 40） 安定な原子核 β-線 （高速の電子） 20, 3:05 カリウム４０はベータ線という放射線を出して安定なアルゴン４０になります。

放射性同位元素 （ラジオアイソトープ：ＲＩ） 同位元素 （アイソトープ） 安定同位元素 （ステーブルアイソトープ） 21, 3:13 このように原子番号が同じでも、質量数の異なる物を「同位元素」、「アイソトープ」といい、そのなかで原子核が不安定で放射線を出す物を「放射性同位元素」、「ラジオアイソトープ」、「ＲＩ」、一方、安定な物を「安定同位元素」、「スティブルアイソトープ」といいます。

α線 ラジウム α線 α線 ラドン ポロニウム 鉛 Ｒａ－２２６ Ｒｎ－２２２ Ｐｏ－２１８ Ｐｂ－２１４ 22, 3:41 また自然界に存在するラジウム２２６はアルファ線を出してラドン２２２に、この不安定なラドン２２２はさらにアルファ線を出しポロニウム２１８へとつぎつぎとより安定な原子核へと移行します。 鉛 Ｐｂ－２１４

「崩壊」あるいは「壊変」といい、カリウム40やラジウム226のような物質は放射線を出す能力を持っているという意味で、 α線 ラジウム α線 Ｒａ－２２６ 　このように、不安定な原子核が放射線を出していくことを 「崩壊」あるいは「壊変」といい、カリウム40やラジウム226のような物質は放射線を出す能力を持っているという意味で、 「放射能をもつ物質」、「放射性物質」と呼ばれています。 α線 ラドン Ｒｎ－２２２ ポロニウム Ｐｏ－２１８ 23, 4:02 このように不安定な原子核が放射線を出していくことを「崩壊」あるいは「壊変」といい、カリウム４０やラジウム２２６のような物質は放射線を出す能力を持っているという意味で、「放射能をもつ物質」とか「放射性物質」と呼ばれています。 鉛 Ｐｂ－２１４

ベータ線と物質の相互作用 拡大 5mm

ベータ線と原子核、電子との相互作用 電子 e 核 電子 e １．原子核による電子の散乱 ２．電子と電子の非弾性散乱 （ラザフォード散乱）：方向を大きく変える。 ２．電子と電子の非弾性散乱 エネルギーを失う。 電子 電子 e 制動X線 e 核 e 制動X線 ３．制動X線の発生

例２　ガンマ線を物質に打ち込む ガンマ線 ガンマ線は物質で止まってしまうか？通り抜けるか？ 物質の内部でどのような反応が起こるか？

条件設定 *電子ボルト： 1.5 eV 放射線源 60Co ガンマ線 平均エネルギー 1.25 MeV* 物質 アルミニウム エネルギーの単位 電位差1 Vで加速された電子のエネルギー MeV = 106 eV 1.5 eV 放射線源　 60Co ガンマ線 平均エネルギー 1.25 MeV* 物質　アルミニウム ガンマ線は物質で止まってしまうか？通り抜けるか？ 物質の内部でどのような反応が起こるか？ → 放射線挙動の計算機シミュレーション

1.25 MeV ガンマ線→Al 5cm 50本入射 透過：直接線24、散乱線13; 反射2 ガンマ線源 空気 Al 空気 反射→ 直接線 ←散乱線 50本入射 透過：直接線24、散乱線13; 反射2

1.25 MeV ガンマ線→Al 10cm 空気 Al 空気 ガンマ線源 透過：直接線11、散乱線8; 反射4

1.25 MeV ガンマ線→Al 20cm 空気 Al 空気 ガンマ線源 透過:直接線4、散乱線3; 反射1

アルミ板厚さによる透過ガンマ線本数の変化

ガンマ線と物質との相互作用 ガンマ線にとって、物質はどのように見えるか？ →最も多いのは、自由電子。 →次に、原子核または原子。

ガンマ線と電子・原子核・原子との反応 コンプトン散乱 電子対生成 光電効果 レイリー散乱 電子 e 光子 散乱光子 核 e 電子 光子 e+ θ j 核 e 電子 光子 e+ 陽電子 コンプトン散乱 電子対生成 光子 散乱光子 光電子 光子 e e L殻 e L殻 e e e e 核 e 核 K殻 e e K殻 e e e e e 原子 原子 e 光電効果 レイリー散乱

ガンマ線と物質の反応頻度 エックス線 ガンマ線（目安） 原子との相互作用 電子との相互作用 原子核との相互作用

例3 ガンマ線を放射線検出器で測定する ガンマ線 検出器内部でどのような反応が起こるか？ 検出器からどのような信号が出るか？

条件設定 放射線源 137Cs 検出器：沃化ナトリウム 直径 3インチ、厚さ 3インチ ガンマ線 エネルギー 662 keV

沃化ナトリウム内での相互作用① 拡大 吸収エネルギー：0.232 MeV 入射エネルギー： 0.662 MeV ガンマ線源 空気 沃化ナトリウム 空気 吸収エネルギー：0.232 MeV コンプトン散乱 電子 光子 拡大 入射エネルギー： 0.662 MeV 逃げエネルギー：0.430 MeV

沃化ナトリウム内での相互作用② 拡大 拡大 吸収エネルギー：0.662 MeV（=入射エネルギー） ガンマ線源 空気 沃化ナトリウム 空気 コンプトン散乱 光子 電子 拡大 光電効果 光子 拡大 電子 吸収エネルギー：0.662 MeV（=入射エネルギー）

沃化ナトリウム内での相互作用③ 入射エネルギー： 0.662 MeV 逃げエネルギー： 0.662 MeV 吸収エネルギー：0.0 MeV ガンマ線源 空気 沃化ナトリウム 空気 入射エネルギー： 0.662 MeV 逃げエネルギー： 0.662 MeV 吸収エネルギー：0.0 MeV

沃化ナトリウム検出器の応答関数 =単一エネルギー入力に対する吸収エネルギーの度数分布 コンプトン連続部分 全エネルギー吸収ピーク→ 光電効果に対応 入射: 662 keV 吸収エネルギー=0.0 MeV 素通りに対応 コンプトン連続部分 入射エネルギーの一部を吸収

沃化ナトリウムのCs-137に対する出力: 測定とシミュレーションとの比較 計算：EGS 計算: EGS 出典 Tawara et al, KEK Proc 2000-20 (2000).

沃化ナトリウム検出器の応答関数② 入射：241Amからの59.5 keVガンマ線 コンプトン 連続部分 全エネルギー吸収ピーク 光電効果に対応　　　↓ K-Xエスケープ ピーク ↓ コンプトン 連続部分 ncases=5e5 約30秒の計算

特性X線の発生とエスケープ 光子の入射と電離 核 e 光子 ① ② 核 e 空 核 e 特性X線 空 ④ e 原子励起状態 L殻 K殻 光子 ① ② 核 e L殻 K殻 空 核 e L殻 K殻 特性X線 空 ③ ④ e 光子の入射と電離 原子励起状態 (K殻に空孔がある) 特性X線の発生 特性X線のエネルギー =K殻束縛エネルギー – L殻束縛エネルギー = 33.2 keV – 4.6 keV 　　 = 28.6 keV K-X エスケープピークエネルギー = 59.6 keV – 28.6 keV = 31.0 keV

沃化ナトリウム検出器の応答関数③ 入射：16Nからの6.1 MeVガンマ線 コンプトン 連続部分 シングルエスケープピーク → ダブルエスケープピーク↓ 全エネルギー吸収ピーク↑ ncases=5e5 約30秒の計算 コンプトン 連続部分

消滅ガンマ線の発生とエスケープ 電子対生成での 陽電子の発生 消滅γ線 電子 核 e 光子 e+ 陽電子 e+ e 陽電子 電子 消滅γ線 陽電子の消滅と 消滅ガンマ線の発生 消滅ガンマ線のエネルギー = 0.511 MeV シングルエスケープピークエネルギー = 6.1 MeV – 0.511 keV = 5.6 MeV ダブルエスケープピークエネルギー = 6.1 MeV – 0.511 MeV x 2 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 = 5.1 MeV