荷電粒子と物質の相互作用

相互作用の種類

　(R1.14)

・弾性散乱
　衝突によって相手粒子の内部エネルギーを変化させない散乱

*ラザフォード散乱
：ごくまれな確率で原子核と衝突しておこす大角度の散乱

・非弾性散乱
　衝突によって相手粒子を励起状態にする場合の散乱

・制動放射　(R3.15)
　荷電粒子が原子核の電場により制動を受け,そのエネルギーを光子として放出する現象

・チェレンコフ放射
(R5.11, R4.14)

　荷電粒子が透明な誘電物質中(屈折率n)を通過するとき,物質中での光の速度(c/n)を超えた速度(v)で移動した場合に,分極によって位相が重なり,可視光(青色)が円錐形状に放出される現象
　屈折率nの大きい物質で発生する
　発生時間が非常に短く,シンチレーションの発生よりも短い

*電子の場合
：水中で0.26MeV以上で発生　
　臨界エネルギー：n(V/C)≧1

*チェレンコフ光と荷電粒子のなす角θ　
　cosθ＝　c/n　÷　v

*チェレンコフ光を発生させる最小の運動エネルギー[MeV]
　 （電子の場合）

・核破砕現象(フラグメンテーション)　
　重荷電粒子では核破砕現象によってブラッグピーク以降にも5～20％ほど線量付与がある

陽電子

(R4.6, R3.27(化学), R3.7, R2.21)
　阻止能や飛程など基本的な挙動は電子と同じ
　停止時に電子と結合
→ポジトロニウムの形成
→消滅γ線(511keV)を2本以上放出する

・電子対消滅　
　陽電子と電子が対消滅し,その全静止エネルギー(1.022MeV)を180度対向に放出される2つの光子のエネルギー(0.511MeV)として放出する現象

＊電子がない(真空中など)と安定する

阻止能　

・阻止能
：単位量当たりのエネルギー損失

・全線阻止能S＝Scol+Srad　

・線阻止能S
：単位長さ当たりのエネルギー損失［MeV/mm］

・質量阻止能S/ρ
：線阻止能を密度ρで割った値

・電子の水/空気質量阻止能
：深部ほど大きくなる

電子の衝突阻止能　

(R4.32)

・線衝突阻止能Scolは密度に比例する

・質量衝突阻止能Scol /ρ

・N：単位体積あたりの原子数

　Z/Aの値は物質によって変化しない(≒0.5)ため,S/ρは物質の種類に依らない
ρ：密度　N_A：アボガドロ数　
Z：原子番号　A：物質の質量　　
m：電子の質量　v：電子の速度

＊Bethe Blochらによって量子論的に求められた
＊10MeV以上の場合は密度効果を考慮する必要がある　

重荷電粒子の衝突阻止能

(R4.31, R2.31,R1.15.16)
・衝突阻止能Scol　(簡略ベーテの式)

電子の放射阻止能　

・線放射阻止能Srad
Srad　∝　N×Z²×(E+mc²)
　＝　Z/A×ρ×Z×(E+mc²)

・質量放射阻止能Srad/ρ
Srad/ρ　∝　Z/A×Z×(E+mc²)
Z/Aの値は物質によって変化しないため,原子番号に依存する

重荷電粒子の放射阻止能　

荷電粒子の質量が大きいため無視できる

電子の放射阻止能と衝突阻止能の比

(R5.13, R4.31)
Srad/Scol　＝　(E+0.511)×Z÷820　
E：電子のエネルギー［MeV］　
Z：物質の原子番号

・臨界エネルギー
：同物質においてSrad＝Scolとなるエネルギー

飛程

電子の飛程

　(R5.14, R2.13.31)
電子線の飛程　R
R＝0.5E‐0.3［cm］(E=5～50MeV)
　＝0.54E-0.13［g・cm^-2］(0.8MeV<E<3MeV)
　質量が小さいため,散乱を受ける

重荷電粒子の飛程

(R5.12, R4.31, R1.13)

R≒0.3E^3/2
E：荷電粒子のエネルギー　
v：荷電粒子の速度　
z：荷電粒子の原子番号　
m：荷電粒子の原子番号

・最大飛程>外挿(実用)飛程>平均飛程

・質量が大きいため,水中では基本的に進行方向は変わらず,直進する

・停止付近(飛程)で阻止能(比電離)が大きくなる：ブラッグピーク

・陽子の飛程
：水中で200MeVで25.96cm　

・ブラッククレーマン則　
(R3.16)
　未知の物質の飛程R＝R0×(ρ0/ρ)×√(A/A0)
　R0：既知の物質の飛程
　ρ, ρ0：密度
　A,A0：質量数

後方散乱

：多重散乱により起こり,薄い試料等での測定に影響を与える
　線源支持体が厚い程,原子番号が高い程,影響が大きい
   (正比例ではなく飽和係数がある)