Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations
What it Shows
各種放射線と物質の相互作用は独特で、物質を透過する能力が決まり、その結果として放射線防護に必要な遮蔽物の種類や量も決まります。 電気的に中性であるガンマ線と物質との相互作用は統計的なプロセスであり、ガンマ線のエネルギーだけでなく、吸収体の性質にも依存します。 ガンマ線が一定の厚さの吸収体を透過する確率は常に有限であるため、線源の強さに関係なく吸収体内ですべてが停止する最大範囲を持つ荷電粒子線とは異なり、ガンマ線の一部は常に透過し、十分強い線源があれば、多くの量が透過する可能性もあります。
どのように機能するか
このデモは通常、ソースと検出のデモと一緒に表示されます。
(1) アルファ粒子は、主にその正電荷と吸収体内の原子電子の負電荷間のクーロン力によって物質と相互作用します。 あるエネルギーのアルファの範囲は、特定の吸収体材料においてかなり独特な量です。 あるエネルギーに対して、アルファ粒子はベータ粒子よりはるかに遅く、より大きなインパルスを生じさせる。 さらに、二重電荷（+2e）を持つアルファ粒子は、物質中でのエネルギー損失率が非常に高く、重電離放射線となる。 そのため、他の放射線に比べ、アルファ粒子の透過深度は非常に小さい。 低密度の物質では、5.5MeVのアルファ粒子（Am-241から）は4.5から5mg/cm2の範囲であり、高密度の物質では5から12mg/cm2の範囲である。 The table below gives some specific values.
| Absorber | Density | Alpha Range | |
|---|---|---|---|
| air (STP) | 1.2 mg/cm3 | 3.7 cm | – |
| paper (20lb) | 0.89 g/cm3 | 53 µm | one sheet = 89 µm |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 45 µm | will not penetrate skin |
The thickness of a single sheet of paper (0.0035″) is enough to stop all the alphas.
(2) Beta particles also interact through Coulomb forces with the atomic electrons. Betas have much higher speeds due to their smaller mass, and smaller impulses are involved in collisions. しかし、クーロン力の相互作用の性質上、ベータ粒子も（ガンマ粒子と比較して）ほとんど物質によって停止されることはありません。 ベータは散乱電子と質量が同じであるため、ベータ粒子の進路に大きなずれが生じ、薄い吸収体でも直接ビームから散乱されやすく、ベータを減衰させる。 もう一つ比較を難しくしているのは、ベータ粒子は単体エネルギーのアルファと異なり、平均エネルギーが最大値の約1/3という連続的なエネルギースペクトルを持つことである。
電子の最大範囲に関する有用な経験則は、範囲 (gm/cm2) が最大エネルギー (Mev) の半分になることです。 もちろん、これは密度によって複雑になります。電子の範囲は、低密度の物質ではMeVあたり約2mm、中密度の吸収体ではMeVあたり約1mmになる傾向があります。 For our Sr/Y-90 source (maximum beta energy = 2.27 MeV, average energy = 1.13 MeV), more precise beta ranges are tabulated below:
| Absorber | Density | Depth (2.3 MeV) | Depth (1.1 MeV) |
|---|---|---|---|
| air | 1.2 mg/cm3 | 8.8 m | 3.8 m |
| water (soft tissue) | 1.0 g/cm3 | 11 mm | 4.6 mm |
| plastic (acrylic) | 1.2 | 9.6 | 4.0 |
| glass (Pyrex) | 2.2 | 5.6 | 2.2 |
| aluminum | 2.7 | 4.2 | 2.0 |
| copper | 8.9 | 1.2 | 0.5 |
| lead | 11.3 | 1.0 | 0.4 |
C-14は最大エネルギー0.156 MeV、平均エネルギー0.049 MeVのベータを放ちます。 C-14 のベータ線の最大範囲は、プラスチックでわずか 0.25 mm (0.01″) です。 私たちは両方の線源を所有しており、両者を対比させるのは良いことです。 ハーバード大学のIDカードは約0.8 mmの厚さで、すべてのC-14ベータを止めることができます。 Sr-90線源に切り替えた場合はそうではありません。
(3)ガンマ線と物質との相互作用は、荷電粒子との相互作用とはまったく異なるものです。 電荷がないためクーロン相互作用がなく、ガンマ線ははるかに透過しやすくなっています。 発生する相互作用は、光電効果、コンプトン散乱、対生成によるものです。 これらの確率は断面積で表され、ガンマ線の線形減衰係数はこの断面積で定義されます。
線形の減衰係数は吸収体の密度によって変化するので、同じ吸収体材料でも質量減衰係数μ/ρ（線形の減衰係数μを密度ρ（g/cm3）で割ったもの）がより有用である。 であり、減衰則は次のように書かれる
I = Ioe-（μ/ρ）ρt 式（1）
ここでIは放射強度、tは厚みです。
荷電粒子とは異なり、ガンマ線の一定割合は常に吸収体を通過するため、関心のあるガンマ線エネルギーに対する所定の吸収体の半値厚さを考慮することが有用です。 半値厚みは、以下の文献にある線形減衰係数または質量減衰係数を用いて、式（1）から決定されます。 Absorbers of these thicknesses attenuate the radiation reaching the detector by a factor of two and some of the common ones are tabulated below for Co-60 (1.33 and 1.17 MeV) and Cs-137 (662 keV).
| Absorber Material | Co-60 HVL (cm) | Cs-137 HVL (cm) | Co-60 1/10 VL (cm) | Cs-137 1/10 VL (cm) |
|---|---|---|---|---|
| water (soft tissue) | 13 | 9.5 | – | – |
| plastic (acrylic) | 11 | 7.9 | – | – |
| steel | 2.1 | 1.6 | 6.9 | 5.3 |
| lead | 1.0 | 0.6 | 4.0 | 2.1 |
セットアップ
物理 191 研究室の Co-60 ソース (#9 と表示) は、強度の点でこのデモに最も適したソースです (4 マイクロ Ci 2016 時点 … 半減期は 5.27 年)。 これをガイガーミュラー管の前約2.5インチに配置する。
プラスチック、アルミニウム、スチール、鉛、その他多くの吸収体が必要に応じて入手可能です。 厚さは数百ミクロン (ホイル) から数センチメートルまでさまざまです。
簡単なデモを長時間の実験室にしたくないので、聴衆に印象づけたい顕著な特徴をあらかじめ決め、そのポイントを伝えるために適切な吸収材と厚さを使用するのが最善です。 Trigg, (Springer, New York, 2003)
G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 2nd ed, (Wiley, NY, 1989)
G.W. Morgan, Some Practical Considerations in Radiation Shielding, Isotopes Division Circular B-4, (U.S. Atomic Energy Commission, Oak Ridge)
CRC Handbook of Radiactive Nuclides, edited by Y. Wang, (Chemical Rubber Company, Ohio, 1969)
A.H. Wapstra, G.J. Nijgh, and R. Van Lieshout, Nuclear Spectroscopy Tables, (North Holland, Amsterdam, 1959)
X-ray Attenuation Coefficients from 10 keV to 100 MeV, National Bureau of Standards Circular No. 583
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab3.html
https://physics.nist.gov/PhysRefData/XrayMassCoef/tab2.html
実際、放射線測定の初期には、アルファ粒子のエネルギーはその平均範囲に相当する吸収体の厚みを求めることによって間接的に測定されていました。
範囲は（密度）×（厚み）で表されますが、これは与えられた厚さの吸収体の質量/単位面積として表記されています。 歴史的には、単位はmg/cm2でした。 密度-厚み（質量-厚みと呼ばれることもある）はアルファとベータのエネルギー損失を議論する際に有用な概念です。なぜなら、中性子/陽子比が同程度の吸収体材料では、粒子は同じ密度-厚みの吸収体を通過するほぼ同じ数の電子に遭遇することになります。
紙の重さは 4.77 gm/sheet で、密度は 0.89 gm/cm3 、密度-厚さは 7.9 mg/cm2 です
この経験則は E > 0.8 MeV 時にのみ適用可能です。 他のエネルギー範囲については、Wang, p 912を参照。
値はY. Wang（参考文献）による。 別の経験則では、半値幅は最大幅の約1/7ですが、1/5から1/10の間で変化する可能性があります（ベータエネルギーと吸収体の密度に依存）。
質量吸収係数も放射線のエネルギーに依存します。
質量吸収係数は放射線のエネルギーにも依存します。特定の材料と特定の放射線のエネルギーについて半値幅を計算するには、CRCハンドブックまたはAIP Physics Desk Referenceで「質量エネルギー吸収係数」を調べる必要があります。