Transcript ppt - KEK 放射線科学センター

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
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
1.5 eV
*電子ボルト：
放射線源
90Sr-90Y
ベータ線
最大エネルギー
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
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
60
透過ベータ線本数
50
40
30
20
最大飛程
10
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
アルミ板厚さ (cm)
0.5
0.6
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。
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。
陽子
中性子
電子
炭素原子
原子番号 ＝ 陽子の数
質量数
＝ 陽子の数 ＋ 中性子の数
陽子
中性子
電子
炭素原子
原子番号 ＝ 陽子の数
質量数
＝ 陽子の数 ＋ 中性子の数
40Ｋ
（カリウム ― 40）
陽子
中性子
不安定な原子核
40Ａｒ
（アルゴン ― 40）
β-線
（高速の電子）
安定な原子核
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）
ラジウム
ラドン
ポロニウム
鉛
ラジウム
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
ラドン 「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、
ポロニウム
「放射能をもつ物質」、「放射性物質」と呼ばれています。
鉛
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
電子
電子
e
e
e
核
e 電子
２．電子と電子の非弾性散乱
エネルギーを失う。
１．原子核による電子の散乱
（ラザフォード散乱）：方向を大きく変える。
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
1.5 eV
*電子ボルト：
放射線源
60Co
ガンマ線
平均エネルギー
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
1.25 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
空気
ガ
ン
マ
線
源
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
ガ
ン
マ
線
源
透過：直接線11、散乱線8; 反射4
空気
1.25 MeV ガンマ線→Al 20cm
空気
Al
ガ
ン
マ
線
源
透過:直接線4、散乱線3; 反射1
空気
アルミ板厚さによる透過ガンマ線本数
の変化
透過ガンマ線本数 Y（直接線のみ）
100
Y = 38 exp (-0.11 X)
10
1
0
5
10
15
20
25
アルミ板厚さ X (cm)
30
35
40
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
散乱光子
θ
光子
e
電子対生成
e 光電子
光子
e 電子
核
電子
コンプトン散乱
光子
散乱光子
e
e
L殻
e
e
e K殻 e
e
e
L殻
核
e
核
光電効果
e+
光子
j
原子
陽電子
e
原子
e
e K殻 e e
e
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）
103
水
2
反応頻度 (1/cm)
10
1
10
合計
レイリー散乱
光電効果
コンプトン散乱
電子対生成
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
100
10-1
10-2
10-3
10-2
10-1
100
101
光子エネルギー (MeV)
102
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
ガンマ線
エネルギー
662 keV
検出器：沃化ナトリウム
直径 3インチ、厚さ 3インチ
沃化ナトリウム内での相互作用①
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
ガ
ン
マ
線
源
光子
入射エネルギー：
0.662 MeV
逃げエネルギー：0.430 MeV
電子
沃化ナトリウム内での相互作用②
空気
沃化ナトリウム
空気
コンプトン散乱
光子
ガ
ン
マ
線
源
光電効果
光子
吸収エネルギー：0.662 MeV（=入射エネルギー）
電子
電子
沃化ナトリウム内での相互作用③
空気
沃化ナトリウム
入射エネルギー：
0.662 MeV
空気
逃げエネルギー：
0.662 MeV
ガ
ン
マ
線
源
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
1
EGS
カウント（/入射光子数）
入射: 662 keV
0.1
全エネルギー吸収ピーク→
光電効果に対応
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
0.01
0.001
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
吸収エネルギー (MeV)
0.6
0.7
沃化ナトリウムのCs-137に対する出
Comparison
of Photoelectron Spectra
力: 測定とシミュレーションとの比較
6000
3" x3"L NaI(Tl) + 3"PMT
Cs-137 662 keV
Counts (a.u.)
5000
4000
Exp. FWHM 7.7%
Calc.
FWHM 7.6%
計算：EGS
3000
計算: EGS
2000
1000
0
0
5000
10000
Photoelectron number
15000
CS-BG-Npevscalc.QPC
• 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
101
全エネルギー吸収ピーク
光電効果に対応
↓
カウント（/入射光子数）
100
K-Xエスケープ
ピーク ↓
10-1
10-2
コンプトン
連続部分
10-3
10-4
10-5
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
吸収エネルギー (MeV)
0.06
0.07
特性X線の発生とエスケープ
光子①
e
②
e
e
L殻
e
核
e K殻 e e
e
光子の入射と電離
e
e 空
核
L殻
e
e K殻 e e
e
原子励起状態
(K殻に空孔がある)
特性X線
④
e 空
e
核
③
e K殻 e
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
L殻
e
e
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
0.1
0.08
全エネルギー吸収ピーク↑
カウント（/入射光子数）
シングルエスケープピーク →
0.06
ダブルエスケープピーク↓
0.04
コンプトン
連続部分
0.02
0
0
1
2
3
4
吸収エネルギー (MeV)
5
6
7
消滅ガンマ線の発生とエスケープ
消滅γ線
陽電子
光子
e+
核
e
電子
電子対生成での
陽電子の発生
e+
陽電子
e
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