3.電離放射線 ― 電磁波と物質との相互作用 ―

電磁波と物質との相互作用

A. 種類

a. 直接電離放射線(荷電粒子)、間接電離放射線(光子中性子
b. (電離性)電磁放射線、粒子放射線

B. 電磁波と物質との相互作用

a. 古典散乱 〈トムソン散乱、レイリー散乱、コヒーレント散乱〉

(2016 記述)
・トムソン散乱(非干渉性散乱)
 自由電子との相互作用
 光子のエネルギーは変化せず、進行方向が変化する

・レイリー散乱(干渉性散乱)
 軌道電子との相互作用
 光子のエネルギーは変化せず、進行方向が変化する

b. 光電効果 

(2012 05)
・光子のエネルギーEe = Er - Eb   
 Er:光子のエネルギー   
 Eb:軌道電子のエネルギー

・光電子エネルギー
 K殻光電子 < L殻光電子

・吸収端
 エネルギー:L吸収端 < K吸収端

・反応断面積τ ∝ Z5×Er-3.5
 Z:ターゲットの原子番号

・光子の粒子性を示す反応

・光電ピーク(全エネルギーピーク)
 :放出されたγ線がすべてのエネルギーを電子に与えて検出器に検出されるピーク

・入射光子のエネルギーがK殻電子電離エネルギーよりも大きい場合、
 光電子の80%がK殻光電子となる

c. コンプトン効果 

(2017 11 、2013 05、2012 06)

 *θ:0~180度に散乱する  
 *Φ:0~90度に散乱する 
・散乱光子のエネルギーEr′
$$Er′=\frac { Er }{ 1+\frac { Er }{ meC^{ 2 } } (1-cosθ) } $$$$=\frac { Er }{ 1+\alpha (1-cosθ) } $$$$*\alpha =1+\frac { Er }{ meC^{ 2 } }とする $$
・コンプトン電子のエネルギーEe 
 Ee = Er - Er′
$$=\frac { Er }{ 1+\frac { meC^{ 2 } }{ Er(1-cosθ) } } $$$$=\frac { Er\times \alpha (1-cosθ) }{ 1+\alpha (1-cosθ) } $$
・Ee maxのとき、Er′min 
  (180度散乱:コンプトン端) 
 Er′min = Er/(1+2α)
 Ee max =  (Er×2α)/(1+2α)

・Ee minのとき、Er′max 
 (0度散乱、反跳電子は90度散乱)
 Er′max = Er
 Ee min = 0
 
*meC2:電子の静止エネルギー

・反応断面積σ ∝ Z  
 *面密度g/cm2]が同じであれば物質によらない

・光子の粒子性を示す反応

・コンプトン連続部
 コンプトン散乱で生じた反跳電子がとる0から最大エネルギーEmaxまでの連続分布

・コンプトン端
 散乱角が180度の場合に電子に最もエネルギーを与えて、光子が検出器から出ていく場所
 コンプトン連続部の終わり

・後方散乱ピーク
 検出器以外で後方散乱した散乱光子(最小エネルギーとなっている)が検出されて生じるピーク

d. 電子対生成 

(2016 11)
・電子対のエネルギー
 Ee++EEr - 2×meC2

・反応断面積κ ∝ Z2

e. 三電子生成

 (2015 08)
*三電子対生成:閾値2.044[MeV]

f. 光核反応 

(2017 08)
 高エネルギーγ線が原子核に当たると、ある確率で吸収され、原子核を励起し、そのエネルギーが原子核内の核子の結合エネルギーを超えると、核子は核外へ飛び出す

・反応断面積
 γ線のエネルギーが1520MeVで最大

・(γ,p),(γ,n),(γ,d),(γ,α),(γ,fission)などの反応が起こる。
 (γ,n)は1020MeVで起こりやすい

・閾値は存在する
 だいたい結合エネルギーである810MeV程度
 Q値は

支配的相互作用 

 
*水に近い組織(Z=7.5)において
 0.05 MeV~10 MeVではコンプトン散乱が支配的(80%超)

*骨(Z=13)に近い高原子番号では
 0.08 MeV~7 MeVではコンプトン散乱の支配するエネルギー範囲が狭い

*低エネルギー(数10 keV)
 光電効果の影響により、よりもに対する線量が高くなる。

*超高エネルギー(10 MV~25 MV)
 電子対生成が生じやすいため、よりもへの線量が高くなる

G. X 線の発生

a. 遷移  b. クラマースの式  c. デュエン・ハントの法則  d. モーズリーの法則  e. X 線管ターゲット

→ 電子線と物質との相互作用へ

H. 光子線束の減弱

a. 指数関数的減弱   b. 半価層、10 分の1 価層 

(2017 14、2016 14 31、2013 55、2012 16)
・光子の強度I = I0×e-μx×B
・半価層X1/2 = ln2/μ
 I0:初期X線光子量  
 μ:線減弱係数(cm-1)  
 x:物質の厚さ(cm)
 B:ビルドアップ係数
 B=(ある点に到達する全光子による線量)/(非散乱一次光子による線量)

・半価層の測定方法 (2013 55)
 付加フィルタ:21mmAl   
 半価層用付加フィルタ:7.1mmAl
 焦点-ディテクタ(ディテクタを取り除ける場合は線量計)距離:150cm以上
 線量計と壁や床(ディテクタを取り除けない場合はディテクタ)の距離:45cm以上
 ディテクタに入る照射野サイズ:160mm2以上

c. ビルドアップ係数    d. スペクトル効果、線質硬化と軟化

e. 減弱係数、エネルギー転移係数、エネルギー吸収係数 

(2016 62)
・質量減弱係数μ/ρ
 μ/ρ = (τ+σ+κ)×N÷ρ 
 N:1cm3中の原子数 
 ρ:物質の密度

・質量エネルギー転移係数μtr
$$μtr/ρ=[(1-\frac { δ }{ Er } )×τ+(1-\frac { hν^{ ‘ }-δ }{ Er } )×σ+(1-\frac { 2mC^{ 2 } }{ Er } )×κ]×N÷ρ$$
 δ:特性X線の平均エネルギー

・質量エネルギー吸収係数μen
 μen/ρ = μtr/ρ×(1‐G)
 G:制動放射により失われる二次電子のエネルギーの割合

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