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こうしろうひきぎ
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1 放射線を測る東京大学工学系研究科高橋浩之

2 1898 Ernest Rutherford

3 Types of radiation neutron Paper Aluminum Lead Water

4 シリコン中での粒子の飛程 (μm)

5 α 線の飛跡

6 飛程放射線の飛程は重要検出器に届くかどうか検出器中にエネルギーを落とすかどうか放射線の種類による応答の差が利用できる阻止能 (stopping power: de/dx) 比電離を通して求められることが多い比電離 : 単位走行距離あたりの電荷生成数これに一個あたりに必要なエネルギー (W 値 ) を乗ずることにより阻止能が求まる.

7 Bethe の式阻止能 -de/dx -de/dx: 吸収物質内を通過する際に単位走行距離あたりに失う平均エネルギー損失 -de/dx=4πz 2 e 4 NZ/mv 2 [ln(2mv 2 /I) - ln(1-β 2 ) -β 2 ] Z,N,I: 吸収物質の原子番号, 原子数密度, 平均電離ポテンシャル (10-20eV) ze,e,m,v: 入射粒子の電荷, エネルギー, 質量, 速度,β=v/c

8 β 線の飛跡

9 電子線の飛程吸収体の厚さを面密度で表示物質によらない. g/cm 2 電子との衝突が主過程単位体積あたりの電子数が重要比重 :ρ 吸収体の厚さ :x とすると面密度は, ρx 電子の通過に際して単位面積あたりの電子数は N A /A ρx Z Z/A は軽い水素などを除いてほぼ一定なので, 電子数は面密度にほぼ比例

11 ガンマ線と物質の相互作用レーリー散乱光電効果コンプトン散乱電子対生成光核反応

12 コンプトン効果 γ 線の散乱角 θ と反跳電子の角度 φ の関係 α: hν/m 0 c 2 cotφ=(1+ α)tanθ/2 クライン仁科の式

14 線減弱係数 X 線,γ 線が吸収物質中で単位走行距離あたりに相互作用を行う確率を線減弱係数と呼ぶ. 全線減弱係数 μ=μ τ +μ σ +μ κ μ τ 光電効果によるもの μ σ コンプトン効果によるもの μ κ 電子対生成によるもの

15 線減弱係数 (Cont.) 強度 I 0 の γ 線が線減弱係数 μ の物質中を xcm 進んだ場合の強度 I は, I =I 0 exp(-μx) I 半価層 ( 強度が半分になるような吸収体の厚さ ) 0 X

16 質量減弱係数走行距離を面密度の単位で表現した場合 μ μ/ρ (ρ: 密度 )

17 線源放射能壊変の割合 Bq=1dps( 一秒間あたりの壊変数 ) Ci = 3.7 x dps 放射性物質の量が多ければ放射能は大きくなる

18 Radioactivity Initial amount Nuclide Half life Radioactivity Half life Half life

19 吸収エネルギー ABSORBED ENERGY 場 FIELD 線源 SOURCE 生物への効果 BIOLOGICAL EFFECT

20 Gy グレイ生物影響を考慮 Bq ベクレル C/kg,R Sv シーベルト

21 放射線の人体への影響確定的影響脱毛や白内障潰瘍造血器官の異常胎児への影響など確率的影響発がん遺伝的影響など

22 リスク線量 (Sv)

23 Radiation protection 3 Shielding 2 Distance 1 Time 遮蔽体厚さの指数関数で減衰距離の 2 乗に反比例作業時間に比例距離ゼロで無限大になるわけではない

24 放射線の測定

25 放射線を測る物質の電離生じた電荷量を計測物質の励起発光を計測

26 気体中での電離電離された分子励起された分子荷電粒子

27 電離に必要なエネルギーの平均値 (W 値 ) Average energy required to form one electron-ion pair 気体 W 値 (ev) 電子 α 線アルゴンヘリウム窒素空気酸素メタン ,000 e-ion pairs for 1 MeV energy deposition

28 気体を用いた電離箱陽極電子陰イオン + 陽イオン - 電圧気体陰極

29 気体中での電子増倍の原理電子電場気体分子 2 次電子電子

30 GM 計数管の領域電離箱の領域電圧

31 シンチレーション検出器放射線が物質内部で生ずる発光現象を利用した検出器放射線入射によりシンチレータ内で励起電離過程が起こる. シンチレータ内で蛍光が生ずる. 生じた蛍光を光電子増倍管フォトダイオード等により発光量に比例した電気出力パルスとして取り出す.

32 シンチレータ光検出器

33 無機シンチレータ

34 有機シンチレータ

35 光電子増倍管 (Photomultiplier:PMT)

36 Properties of Common Inorganic Scintillators Material max t f r Photons fwhm (nm) (ns) g/cc per MeVat 662 kev NaI(Tl) (20 C) , % pure NaI ( 196 C) ,000 BGO (20 C) , % BGO ( 100 C) ,000 CsI(Na) ,000 CsI(Tl) , % CsI (pure) ,300 CsF ,500 BaF 2 (slow) , % BaF 2 (fast) ,800 LaBr 3 (Ce) , % LaCl 3 (Ce) , % Gd 2 SiO 5 (Ce) , Lu 2 SiO 5 (Ce) , % YAlO 3 (Ce) , %

37 Energy 662 kev (fwhm) From P. Dorenbos, Light output and energy resolution of Ce 3+ doped scintillators, Nucl Instr Meth, A486, pp , % 10% 8% 6% 4% BGO GSO BaF 2 LSO Lu Al O :Sc YAlO 3 :Ce K 3 LaCl 5 :Ce CsI:Tl YAlO 3 :Ce NaI:Tl RbGd 2 Br 7 :Ce CaI 2 :Eu LaBr 3 :Ce 2% Theoretical Limit (Counting Statistics) LaCl 3 :Ce 0% 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 Luminosity (photoelectrons / 662 kev)

38 GM 計数管電離箱シンチレーション検出器

39 低エネルギー光電効果中エネルギーコンプトン効果高エネルギー電子対生成

40 光電効果の領域コンプトン効果の領域電子対生成の領域検出効率 ( ログスケール ) 100keV 1MeV 光子エネルギー

41 半導体検出器 10 6 NaI 10 5 Counts 10 4 Ge Decay of 108m Ag and 110m Ag Adapted from J. Philippot, IEEE Trans. Nucl. Sci. 17, 446 (1970) Energy (MeV)

42 半導体検出器半導体の利用固体の電離箱固体を用いるため, 高密度阻止能が大飛程の長い粒子に対しても全エネルギー吸収が可能気体電離箱と同様の動作エネルギー分解能が良好

43 半導体検出器絶縁抵抗の高い結晶高電圧を印加しても電流は流れないことが必要. 再結合や結晶中の欠陥に電荷がトラップされてしまうことが問題

44 シリコンゲルマニウムの特性シリコンゲルマニウム原子番号原子量密度 ε 値 (ev) バンドギャップ固有比抵抗 (300K) 2.3x10 5 Ωcm 47 固有比抵抗 (77K) x10 4 電子移動度 (77K) 2.1x x10 4 正孔移動度 (77K) 1.1x x10 4 cm 2 V -1 s -1 ファノ因子 (77K)

45 ε 値電子正孔一対の生成に費やされる荷電粒子の平均エネルギー気体の場合の W 値に相当する. 気体に比べて, 半導体では,1/10 程度の値を示す. ε 値が小さいほどキャリア数のばらつきも小さくなる.

46 化合物半導体検出器 Material Ge (77K) HgI 2 CdTe CdZnTe GaAs AlSb Atomic number 32 80, 53 48, 52 48, 30, 52 31, 33 13, 51 Band gap (ev) e-h pair creation energy (ev) Fano factor e mobility (cm 2 /Vs) h mobility (cm 2 /Vs) m e m h 40, , e lifetime (s) t e ? h lifetime (s) t h ?

47 CdZnTe: mt e ~ 5 X 10-3 cm 2 /V mt h ~ 5 X 10-5 cm 2 /V - V Q ind + - t

48 V w V w x x

49 A. E. Bolotnikov, et. al. Phys. Stat. Sol. (c) 2, No. 5, (2005)

51 2 cm 3 CZT coplanar-grid detector (15 mm X 15 mm X 10 mm) Cs-137

52 P. N. Luke, M. Amman, J. S. Lee, C. Q. Vu, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol.52, p.2041 (2005)

53 深さ方向 ~3 次元位置情報の取得

54 Cs-137 で 1% を切る高いエネルギー分解能 CdZnTe 20 x 20 x 15 mm 3

55 エスケープピーク X 線のエスケープピーク光電吸収につづくゲルマニウム特性 X 線が検出器外に逃げ去ることがある. この場合, 特性 KX 線が逃げることにより, 光電ピークの 11keV 下にピークができる. 低エネルギー γ 線で顕著に現れる消滅 γ 線のエスケープピーク電子陽電子対は消滅の際に,511keV の γ 線を放出シングルエスケープまたはダブルエスケープ

56 28 Al

57 Konputon コンプトンイメージングエネルギー情報を用いて飛来方向を同定

60 自然界の放射線

61 自然放射性同位体ウラン系列 238 U(45 億年 ) 鉛質量数 4n Ra, 222 Rn トリウム系列 232 Th(140 億年 ) 鉛質量数 4n アクチニウム系列 235 U(7.04 億年 ) 鉛質量数 4n+3 40 K(12.5 億年 ) 天然カリウム中に 0.01% 含まれる

62 自然放射線宇宙線によるもの一次宇宙線 ( 高エネルギープロトン α) 二次宇宙線 ( ミュオン, 中性子, ) 3 H, 14 C 14 C は 5 万年程度までの生体組織の年代測定に用いられる

63 Radiation dose from natural radioactivity Cosmic Internal dose Radon External dose Terrestial Food

64 Natural dose in Japan Except for radon contribution 各県の平均値新潟 1.08mSv msv/year

65 自然放射線レベルは県平均では ±20% 程度であるが地域によって 10 倍程度まで大きく変化する

66 Radiation and daily life

67 天然温泉ラドン 1 Bq/m 3 ごとに 31 μsv/ 年の被曝温泉旅館ではラドン濃度 Bq/m 3 3mSv/ 年 ~15mSv/ 年雷雷の発生にしたがって放射線が発生する

68 食品の放射能基準 Bq/kg 飲料水牛乳乳製品放射性ヨウ素 300 放射性セシウム 200 ウラン 20 プルトニウム 1 野菜ウラン 100 プルトニウム 10 放射性セシウム 500 放射性ヨウ素 2000 肉卵魚その他放射性セシウム 500 ウラン 100 プルトニウム 10 乳幼児食品ウラン 20 プルトニウム 1 自然に含まれている放射能 Bq/kg 牛乳中の K ビール中の K ホウレンソウ中のK 干しシイタケ中のK 魚中のK 干し昆布中のK ポテトチップ中のK 同じ Bq でも Cs-137 の方が約 2 倍線量が大きいが

69 Annual dose World average Japan average msv Medical Fallout Medical Natural Others Natural Fallout Others

70 世界の各国の空間線量率分布

72 世界のラドン濃度マップ

73 ヨーロッパの各国の年間実効線量の平均値日本の年間実効線量

74 ドイツの家でのラドン濃度の分布日本の平均 ~1mSv/ 年 ~3.6nSv/h (31uSv/y) for 1 Bq/m 3 (indoor)

放射線や放射性同位元素などの安全取扱い ( 基礎 ) 安全取扱 ( 基礎 ) 生命資源研究支援センター古嶋昭博放射線に関する基礎 1. 放射線の発生放射性同位元素 : 放射性崩壊放射能半減期 X 線の発生 :X 線管 2. 放射線の性質放射線の種類 :α 線 β 線 γ 線 X 線中性子線

放射線や放射性同位元素などの安全取扱い ( 基礎 ) 安全取扱 ( 基礎 ) 生命資源研究支援センター古嶋昭博放射線に関する基礎 1. 放射線の発生放射性同位元素 : 放射性崩壊放射能半減期 X 線の発生 :X 線管 2. 放射線の性質放射線の種類 :α 線 β 線 γ 線 X 線中性子線放射線や放射性同位元素などの安全取扱い ( 基礎 ) 生命資源研究支援センター古嶋昭博放射線に関する基礎 1. 放射線の発生放射性同位元素 : 放射性崩壊放射能半減期 X 線の発生 :X 線管 2. 放射線の性質放射線の種類 :α 線 β 線 γ 線 X 線中性子線物質との相互作用透過力放射線の減弱 ( 吸収散乱 ) 距離逆 2 乗則 3. 放射線に関する単位放射線のエネルギー放射能放射線量