放射線の発生

放射線の発生

X線、ガンマ線、電子線、イオン、陽電子

放射性同位元素からの放射線の発生

放射線の基礎知識 10ページ 原子核崩壊

ZN

A

Z-2N

A-4 α線

ZN

A

Z+1^A N β^-線

γ線

€

27

59 Co + ₀ ¹ n → ₂₇ ⁶⁰ Co

ガンマ線の発生方法

６０

Co （放射性同位元素）の作り方

安定元素⁵⁹Coを原子炉で中性子照射

半減期5.27年

核反応 ⁶⁰₂₇

Co

1.173MeV 1.333MeV 60₂₈

Ni

γ 線

ベータマイナス崩壊

大阪府立大学放射線研究センター コバルト照射施設

電子

コバルトの同位体 isotope Half life isotope Half life

47Co ⁶¹Co ^{1.650(5) h}

48Co ⁶²Co

49Co ^{<35 ns 62m}Co 13.91(5) min

50Co ^{44(4) ms 63}Co ^{26.9(4) s}

51Co 60# ms [>200 ns] ⁶⁴Co ^{0.30(3) s}

52Co ⁶⁵Co ^{1.20(6) s}

52mCo 104(11)# ms ⁶⁶Co

53Co ^66m1Co ^{1.21(1) µs}

53mCo ^{247(12) ms 66m2}Co

54Co ⁶⁷Co 0.425(20) s

54mCo 1.48(2) min ⁶⁸Co

55Co ^{17.53(3) h 68m}Co ^{1.6(3) s}

56Co 77.233(27) d ⁶⁹Co ^{227(13) ms}

57Co 271.74(6) d ⁷⁰Co

58Co ^70mCo 500(180) ms

58m1Co ^{9.04(11) h 71}Co ^{97(2) ms}

58m2Co ^{10.4(3) µs 72}Co ^{62(3) ms}

59Co ^{STABLE 73}Co ^{41(4) ms}

60Co 5.2713(8) yr ⁷⁴Co 50# ms [>300 ns]

60mCo 10.467(6) min ⁷⁵Co 40# ms [>300 ns]

X 線（波）の発生原理

e-

e- e-

e- e- e-

e-

特性X線

e-

e- e-

e- e- e-

e-

荷電粒子

制動X線

荷電粒子

e-

広いエネルギー分布 Uniqueなエネルギー

エックス線の発生

• X線管球

真空ガラス管

Be窓

水冷却

X線波長

λ_min = hc/eV X線強度

I ∝ iZV²

h: プランク定数、e: 素電荷

V: 電圧、i: 電流値、Z： 陽極元素の原子番号

（レントゲンなど）

物質に電子を当てて入射電子軌道を 制動、および軌道電子の励起-遷移に よって発生

• 発生効率が極めて低い 〜1％

→暗い

• エネルギーが一定でない

熱電子放出： thermoelectronic emission

i＝AT² exp (－eφ/kT)

金属または半導体などの固体が加熱されて高温になると，固体内の自由電 子の運動は激しくなり，表面のエネルギー障壁を越えて外へ飛出すものが出 てくる。これを熱電子と呼び，温度が高いほど毎秒放出される電子数は多い。

（Richardson effect）

Energy

Work func.

Fermi level

electron: e-

Metal Vacuum

heating e-

f A: const.

k: Boltzmann factor

potential

電界放出： field emission

i＝CE² exp (－D/E)

物体表面に強い電界を加えることでポテンシャル障壁を薄くし，トンネル効果 によって表面を抜けた電子を外部へ放出する現象のこと.

Energy

potential Work func.

Fermi level

Electron:e-

Metal Vacuum

Field emissione-

(Tunneling Effect) f

C: const.

D: electric field func.

〜10MV/cm

明るさ＝同じエネルギー（波長）光子の数が多い

（光子エネルギーが高いわけではない）

Material Material

Material

• 放射光 ---

シンクロトロン

軌道は一定で高速に加速可能 光（X線）

荷電粒子（電子）

兵庫県赤穂市の放射光施設（Spring-8）

円周約1.4km

メリット：幅広いエネルギーの特定のエネルギーX線が用途に応じて取出せる 輝度が極めて高い

エックス線の発生方法

明るい光を求めて

57箇所からX線を取出し

数百keV

制動放射であるがエネルギーが一定

放射光施設の X 線発生原理

磁場と電場の周波数をコントロー ルする事によって、加速粒子の 軌道半径を一定に保ちながら加 速をおこない、ここから制動放射 によってX線を取出す。→放射光

図３ 放射光施設Spring-8の概念図

放射光施設とそのスペック

＊CERNはシンクロトロン加速された陽子の8TeV-LHC、現在は13TeV（全周27km）

放射光施設の近年の動向

出典：文部科学省

放射光施設の近年の動向

出典：文部科学省

J-PARC: Japan Proton Accelerator Research Complex

J-PARC: Japan Proton Accelerator Research Complex

次世代放射光施設計画

(S_ynchrotron L_ight i_n T_ohoku, J_apan) 光科学イノベーションセンター 量研機構

２０２３運転開始予定

周長:354m、エミッタンス0.93nmrad、加速エネルギー3GeV

（東北大学多元研）

兵庫県佐用郡佐用町光都

Spring-8

X-FEL SACLA

SACLA

全長700m 加速粒子：電子、加速電圧：8.4GeV

X-ray波長：0.063nm 10 fsec pulse 10²⁰W/cm² Beam spot: 50nm

自由電子レーザー XFEL: X-ray Free Electron Laser

更なる高輝度のX線を目指して、

高エネルギー電子をたくさんの磁石を並べ た「アンジュレータ」の中を通すと、光が発生 します。これにより、テラヘルツから赤外・可 視さらにＸ線までの広い波長域の光が得ら れます。電子のエネルギーがとても高く、ア ンジュレータの磁石周期が短いとこの光はX 線になります。共振器内で多数回光を往復 させて電子との相互作用を強めていくのに 代えて、非常に長いアンジュレータに電子 の塊を通して、後ろの電子から出る光と前 の電子との相互作用によって電子を波長間 隔に並べ、コヒーレントなX線を発生させる 自己増幅自発放射です。

アンジュレータが光を出す仕組み

SACLAのXFEL

Undulator による Laser 発振原理

wiggler

XFEL 開発の歴史

〜1960 John Madey(スタンフォード大院生）による発想 1970年代 赤外線によるFELが実証

大型FEL

2009 年4月 14GeV 1.5å X-FEL （SLAC 加速器研究所 50GeV-SR）に成功

European XFEL （TESLA） 2009年より建設開始（ILCによる計画が進行中）

2017年よりE-XFEL運用開始

コンパクトFEL

2006年 EUV-FEL （SPring-8におけるSCSS 試験加速器 ：波長49nm）に成功 2011年 上記を引き継ぎSACLA（波長：1.2 Å）発生に成功

2012年よりSACLA運転開始

〜2016年 スイスPSI、韓国PALにおいてSACLAと類似FELが 完成2017年より運転開始

*SACLA(SPring-8 Angstrom Compact Free Electron Laser)

荷電粒子を加速する方法

109

静電加加速器

高周波加加速器

線形加加速器（LINAC）

イオン源 ビーム

加速管

直流電源

+ -

～ 高周 波電 源

イオン源

- + -高周波+ -

ビーム

荷電粒子の位相速度に同期させた高周 波の電磁波の電場を利用して加速する 荷電粒子の電荷を利用

し、高電圧により段階的 に加速

Cockcroft–Walton型

Van de Graaff 型

集電針

絶縁ベルト

高圧電源 放電針

ビーム

イオン源

絶縁ベルトに電荷を載せて 移動し電位差を作り、イオン 源から取出した荷電粒子を 電位差間に落とす

Van de Graaff 型

１９２９：アメリカ人物理学者、R・J・ヴァ ン・デ・グラフによって1929年に発明。

卓上型：〜100000V 加速器：〜10MV

タンデム型：ion-400MeV (片側25MV)

グラウンドから高電位ターミナルまでを往還 させながら多段階の加速を行う方式をタン デム型ヴァンデグラフ加速器（Tandem Van de Graaff）と呼ぶ

タンデム型加速器

参照：JAEA

イオン加速器の一例

Van de Graaff 型

Linear Accelerator (LINAC)

CERN LINAC4 : 160MeV

Linear Accelerator (LINAC)

KURRI- LINAC: 38MeV(max)

電子の発生方法

FE: 電界放出型 熱（電子）陰極放出型

フラッシュ電源

エミッタ

引出電源

加速電源 + +-

-

イオンビーム電流 プラズマ イオン源

イオンビームの発生方法

真空中に導入した原子・ガスに対して、プラズマ放電を起こしたり、電子ビームを 照射することにより、導入した原子の電子を離奪させて（電離）イオン化する。

粒子線加速器

高エネルギー加速器研究所の線形電子加速器（つくば市）

原子力研究開発機構東海研究所の静電型加速器

（タンデム加速器）

透過型電子顕微鏡（日本電子社製）

イオン加速器

電子線加速器

中性子の発生方法

放射性同位体

加速器：核破砕など（中性子or陽子過剰核）

FFAG 加速器（Fixed-Field Alternating Gradient accelerator）

原子炉

（核反応：核融合、核分裂）

RIビームファクトリー（理研）

252Cf （自発核分裂による中性子も発生）

241Am/Be

226Ra

€

2

4α+₄⁹Be→¹²₆ C + n

D-D反応：

D-T反応：

€

D+ D→₂³He+ n+3.26MeV

€

D+T →α + n+17.6MeV Fusion

Fission

€

235U +n→⁹⁵Y+¹³⁹I +2n ^{（3.2x10-11J/個）}

自発核分裂:

質量数が非常に大きな同位体(原子量230amu以上)に 特徴的に見られる放射性崩壊の一種

α放射された粒子をBeターゲットに入射して取り出す

n 中性子

粒子線加速器

p, e- ターゲット

*軽元素(水素、リチウムなど)に対する感度が良い。

*透過力が強いため、金属などの中を見ることができる。

*磁気モーメントがあるため、磁気相互作用を調べることができる。

その他、エックス線などでは見えにくいものを見ることができる。

9Be

n g p

加速器による中性子の発生 原子炉による中性子の発生

中性子の特性

原子力発電（原子炉）の構造

沸騰水型原子炉（BWR） 加圧水型原子炉（PWR）

発生源の異なる中性子のエネルギースペクトル

荷電粒子は加速（エネルギー制御）が容易であるが、中性子は 加速制御が不可能

中性子の制御

遮蔽：電気的に中性なので、物質中ではもっぱら原子核としか反応しない。

中でも原子核が弾き飛ばされるような反応（弾性散乱）では、中性子は物質 中の原子核で跳ね返されますが、速度はあまり変わらない。結果、中性子の 遮蔽は難しい。一方で、中性子と重さがほぼ同じ水素の原子核（陽子）とぶつ かると、陽子が勢いよく弾き飛ばされ、代わりに中性子の速度が非常に落ち る。つまり水素を多く含んだ物質は、中性子の速度を効率よく減速することが できる。

吸収：下の反応は水素原子核 ¹H が中性子 n を吸収し重水素核 ²H となりγ線 を放出している。このように中性子を吸収してガンマ線を放出する核反応を 中性子捕獲（neutron capture）または放射捕獲（radiactive capture）と呼ぶ。

このような中性子捕獲反応を利用して核分裂反応で発生する中性子数を制 御している（制御棒）。中性子吸収剤にはホウ素、カドミウム、キセノン、ハフ ニウムなどがある。また、この反応を利用したBNCT^＊なども研究が進められ ている。

1𝐻

1 + 𝑛₀¹ → 𝐻₁² + 𝛾

＊中性子捕捉療法（BNCT Boron Neutron Capture Therapy^）

原子炉等から発生する中性子とほう素との反応を利用して、正常細胞にあまり損傷 を与えず、腫瘍細胞のみを選択的に破壊する治療法で、現在は臨床研究段階です。

h n ~ E = 2m

c

e-

e-

hn ^≧ 1.022 MeV

e-[E_k^e-] e+

[E_k^e+] g-ray

pair creation

+

e-

e-

陽電子の発生原理

β+崩壊する放射性同位体

y

A

x

y

B

x-1 γ ray

y

B

e+

対生成