I章 放射線の特性

I‐2放射線の生物作用は電離と励起の生成が原因

I‐2・3中性子によるエネルギー付与
 中性子は、陽子とほとんど等しい質量をもつが、荷電をもたない(表I‐l)ので、生体内に照射されても、体内分子の電子には作用しない。中性子は原子核とだけ作用する点で、いままで述べた荷電粒子やX線・γ線とまったく異なる物理的作用特性をもつ。中性子は、上述のように、物理的特性が他の電離放射線と著しく違うために、生物作用でも中性子は他の電離放射線と違った特性を示すだろうと期待するのは自然である。事実、サイクロトロン創成期には、中性子が生産されるようになった直後から、Y.Nishina,U.Fanoなどの:一流原子核物理学者が、中性子の生物作用に対して、その物理作用と同じような興味を示した。
 中性子のはたらきは、エネルギーの高いものと低いものでは著しく異なるので、以下この二つに分けて述べる。

)高速中性子(fast neutron )
 エネルギーが10keV-10MeV の桁の中性子を高速中性子とよぶ。エネルギーEoの中性子が、質量数Aの原子核と衝突するときは、玉突きのときの玉のような相互作用を起こして核を跳ね飛ばし(反跳原子核:recoil nucleus とよぶ)、中性子は運動エネルギーを滅少する(図I‐8)。滅少した中性子のエネルギーをEとすると、それは反跳原子核の運動エネルギーに移っている。このように、エネルギーの変化が運動エネルギーの移動だけの衝突を弾性衝突(elastic collisione)という。

 
       図I‐8高速中性子の弾性衝突(A)と熱中性子の捕獲(B)の模式図
 Eの値は、ゼロから4AEo/(1+A)2まで間のいろいろの値をとるが、その平均値くE>は次式で与えられる:
 くE>=Eo l1(A1)2/(A+1)21/2(I‐7)


 この式を中性子が陽子と弾性衝突する場合に当てはめると、A=1だから、陽子の受け取る平均エネルギーくE>は高速中性子のエネルギーEoの半分ということになる。高速中性子の衝突する相手が生体内の炭素、窒素、酸素となると量数Aが大きくなるので、これらの反跳原子核が受け取る平均エネルギーは、式(I‐7)から、中性子のエネルギーの14%,12%,11% となり、陽子の場合に比べ滅少する。生体内では水が多いので、高速中性子の生体へのエネルギー付与は、70-90%が反跳陽子を通じておこる。ただし、14MeV中性子では、中性子がN,O,C などの原子核と非弾性衝突をして複合核をつくり、その崩壊にともなって放出されるα線、陽子、重水素粒子の寄与が無視できない。

)熟中性子(thermal neutron )
 高速中性子が物質内を通過すると、周囲の原子核と弾性衝突を繰り返して、その運動エネルギーを急連に失って、周囲の原子の熱運動エネルギーまで落ちる。こうなると、周囲の原子核と中性子の弾性衝突による運動エネルギーのやりとりは差し引きゼロになる。このようになった中性子を熱中性子という。室温では、熱中性子の運動エネルギーは平均0.025eV である。熱中性子は、原子炉の中や高速中性子をパラフィンなどで滅速してえられる。
 熱中性子のはたらきは、原子核に捕獲されることによって起こる。これを中性子捕獲(neutron caputure)という(図I‐8B参照)。熱中性子の生物作用は、中性子捕獲にともなって放出される放射線(γ線、陽子線、α線など)と反跳原子核(重陽子、炭素核、リシウム核など)の作用である(図I‐8B参照)。熱中性子が生体内分子を構成している主要原子核(H,C,N,O)に捕獲される確率は小さいので、熱中性子の生体影響はふつうは無視できるほどすくないとされている。

c)高速中性子のエネルギースペクトル
 よく使われる高速中性子はつぎの3種である。
核分裂中性子:原子炉内などで、ウラン235が連鎖反応的に核分裂を起こすとき発生するのが核分裂中性子である。この中性子のエネルギースペクトルは、1MeVを極大にして,かなりの幅をもっている(図I‐9参照)。

  

       図I‐9よく使われる高速中性子のエネルギースペクトル
(Hall,1978;,,浦野訳,昭55;p-16pより改写)

 サイクロトロン中性子:重陽子を円形電気場で数100万ポルト以上に加速して、ベリリウムBeに衝突させると、高速中性子が効率よく発生する。このような加速装置をサイクロトロンという。サイクロトロンを便って、16MeVに加速した重陽子をベリリウムに衝突させると、高速中性子が効率よく発生する。そのエネルギースペクトルは、図I‐9に示すように、幅広いもので、中間値は6MeVである。

 14MeV中性子:重陽子を約300keVに加速して、トリチウムに衝突させると、14MeVの単エネルギーの高速中性子が発生する(図I‐9参照)。






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