荷電粒子と物質の相互作用

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相互作用の種類

 (R1.14)

相互作用相互作用の相手電子のエネルギー発生するもの
弾性散乱原子(核)不変なし
衝突損失
(電離,励起)
軌道電子減少特性X線,
オージェ電子
放射損失原子核減少制動X線
チェレンコフ効果原子減少青色光

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

 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

・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

 (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 

(67am72,68am82)
・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 

・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 NA: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 
(71am73)

重荷電粒子の衝突阻止能

 (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

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

 (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

 (R1.13)

R≒0.3E3/2
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)

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