大強度陽子加速器施設の放射線安全管理
1. はじめに大型加速器施設においては、建設後に施設の構造等を容易に変更するのは難しく、加速器機器の遮蔽設計の他、機械棟など付帯設備についても設計段階から考慮しなければならない。特に高エネ
ルギー大強度の加速器施設においては、スカイシ
ャインを考慮し遮蔽を減らすために、地下または

放射線や放射性核種は、放射線が発見されてか

半地下式の構造とすることが多い。J-PARC の基ら様々な分野で利用されている。加速器施設でも幹施設である加速器本体機器は地下部に設置さ同様であり、J-PARC の MLF 施設では核破砕反れ、十分な遮蔽設計の元に建設されている。地上

応で発生した中性子を利用している。放射線と放部に設置される実験施設の遮蔽についても、十分

射能発見の歴足とさまざまな分野への利用につな遮蔽設計が必要である。J-PARC では事業所境

いては、本題から外れるので補足 A に示す。

界における線量を 50μSv/年以下とする遮蔽設計

大強度高エネルギー加速器施設では、高エネルをしている。遮蔽とスカイシャインについては、

ギー放射線に対する遮蔽と、それにより生成され過去のＯＨＯ講座で紹介されている（参考文献）

る各種の放射化物に対する安全対策、放射線モニので、ここでは詳しく述べない。

タリングや線量評価をはじめとする放射線管理、

放射線安全管理については、放射化に伴う被ば周辺土壌等の放射化による環境影響評価など、検く管理、汚染管理、排気管理、排水管理、放射化

討すべき課題は多岐にわたる。高エネルギー1 次物の管理、廃棄物管理等があるが、その他運転時ビームが物質と相互作用して発生する 2 次放射線に放射線発生装置室（加速器トンネルなど）に人の量や、それらによる加速器と周辺機器、施設のがいないようにするインターロックなどの安全構造材、空気、冷却水ならびに施設周辺の土壌の機器、放射線モニターなど様々な機器を用意する

放射化の度合いは、近似的に 1 次ビームのエネル必要がある。インターロックなどの放射線安全対

ギーと強度に比例して増加する。
加速器施設の設計及び管理の基準は、「放射性同位元素等による放射線障害の防止に関する法律」（2019 年 9 月からは「放射性同位元素等の規制に関する法律」に変更、以下「RI 法」という）に従っている。平成 23 年(2011 年)の法改正で、放射化物は「放射線発生装置から発生した放射線により生じた放射線を放出する同位元素によって汚染された物」と定義され、基本的に放射性同位元素によって汚染された物と同様の規制を受けることになった。しかし、汚染物であっても放射化物に表面汚染があることはまれであり、ただちに放射性廃棄物として扱う必要はなく、再使用できることが大きな特徴となっている。これにより放射化物を放射線発生装置から取り外し、再使用することが可能になった。ただし、取り外した物を保管する場合、一定の基準を満たす「放射化物保管設備」を設けなければならない。さらに2017 年の法改正には、大型加速器施設において事故を想定した危険時の措置の充実強化が求められている。

策も、施設設計の検討段階から考慮すべき重要な問題である。ここでは、安全設備については触れないが、「放射線発生装置のインターロック及び安全設備に関するガイドライン」[1]に、設計に重要な考え方が述べられている。
大強度陽子加速器である J-PARC のようにエネ
ルギーがＧｅＶを超え、１ＭＷの出力の加速器については、従来の加速器施設（KEK-PS）以上に、運転後に様々な核種で高強度の放射化物が発生する。また、このような高強度の放射化物は、密封線源、非密封線源、放射性廃棄物と同様な取扱いが必要となる場合もある。ここでは、J-PARCなどの大型加速器施設における放射化と、それに基づく放射線安全管理について紹介する。

2. 加速器施設における放射化加速器における放射化のレベルは、同一出力の陽子加速器と比較すると、1/100 程度であるといわれている。

１）放射化について

陽子加速器の場合、加速粒子エネルギーが数
MeV を超えると、標的となる原子核と入射陽子と高エネルギー加速器特有のこととして、加速器で形成される複合核を経た粒子放出反応により本体装置および周辺機器、空気、冷却水の放射化

放射性核種が生成される。加速粒子エネルギーがという問題が生じる。放射化させる粒子としてはさらに高くなり 100MeV 以上になると、粒子のド１次粒子や２次粒子があり、放射化の程度は、加ブロイ波長(約 3fm)が原子核の核子間距離に匹敵

速粒子の種類、エネルギーやビーム強度によるするようになり、核破砕反応が起こる。核破砕反が、放射化する材質（金属、コンクリート、空気、

応は、R.Serber の 2 step model[2]で説明される。

冷却水など）により生成する核種が異なる。また

まず、加速粒子の入射によって起こる原子核内の生成量は、時間とともに核種の半減期、照射期間、ハドロンカスケード(核内カスケード)により多粒

冷却期間で増減する。

子放出が起こる。引き続き、十分に高い励起エネ加速器の周辺機器、遮蔽壁や床、空気などの放ルギーを持つ残留核から粒子の蒸発が起こり、同射化は、主としてハドロンカスケード、または電時に、軽核を放出する断片反応や、重核の場合は

磁カスケードで発生する 2 次放射線によって起こ核分裂反応も進行する。詳しくは、補足Ｂに説明る。なかでも中性子は、物質との相互作用が小さしている。

く透過力が大きいため、広い範囲にわたって放射

核内カスケードにより放出された高エネルギ

化を引き起こす。2 次中性子のエネルギーと収率ーの核子は、さらに他の原子核と衝突しカスケー

は、それぞれ加速粒子エネルギーとビーム損失にドを起こす(核外カスケード)。その結果、加速粒比例するため、高エネルギー、大強度になるほど子と標的核とで形成される複合核から 3H（トリ中性子による放射化が重要になる。中性子発生のチウム）に至るすべての質量数の放射性核種が生しきいエネルギーは、標的が重陽子については約成される。これら一連のカスケードにより、熱エ2MeV、それ以外の場合には一般に重い標的核

ネルギーから高エネルギーに至る広いエネルギ(鉛、タングステンなど)では約 6MeV、中重核（鉄、ースペクトルを持つ 2 次中性子が発生する。熱お銅など）では約 10MeV である。

よび熱外中性子は(n,γ)反応により放射性核種を高エネルギー荷電粒子の飛程は、例えば 10GeV生成するが、速中性子では核子放出反応が主とな陽子の場合でも金属中で数 10cm のため、1 次おる。さらに中性子エネルギーが 100MeV 以上にな

よび 2 次荷電粒子による放射化はビームラインにると、核反応機構は陽子と実質的に同じで、核破沿った領域でしか起こらない。しかし、1 次ビー

砕反応が起こる。

ムは収束され線束が大きいため、1 次ビームによ

図 1 には、 Au をターゲットにした時、入射陽る放射化物中の放射能濃度は非常に高くなる。一子エネルギーに対する生成核の質量数と生成断方、電子加速器では、加速された電子が物質中に面積の関係を示す。0.2 GeV では、標的核(197Au

入射した際に、電子の制動放射による光子の生成

安定元素)の質量数近傍の核種のみが生成するが、と、光子による電子・陽電子対の生成とが交互に

陽子エネルギーの上昇と共に生成核種は広く質繰り返され粒子数が増えてゆく電磁カスケード

量数や原子番号で多種類にわたるようになる。高

シャワーが発生し、これによる光核反応で放射化

エネルギー核破砕反応での生成核種は、多くは放が起こる。電磁カスケードによる光核反応は広い射性であり、非常に広範囲の A-Z 領域に分布す

領域にわたって起こるため、放射化物中の放射能る。図１の横軸は生成核の質量数、縦軸は同じ質

濃度は荷電粒子による場合と比べて小さい。電子

量数を持つ核種の生成断面積の和を取ったもの

RI 使用施設と同じような施設が必要となる場合である。

がある。壁や床のコンクリート材深部の分布については KEK-PS や J-PARC で測定している。まσ(A) = Σσ(A,Z)

Z

た、熱中性子捕獲断面積が大きいことから、熱中性子による放射化も重要である。
生成した放射性物質の中でガンマ線を放出す
る核種については比較的放射能を測定するのが容易だが、ベータ線やＸ線のみの放出核（トリチウム、14C、55Fe、63Ni）については、簡易に測定することが困難である。これらの核種では、あらかじめガンマ線核種生成量との関係を測定しておく必要がある。
下図に銅中でのハドロン（中性子または陽子）による核破砕生成核種の生成断面積を示す[3]。この断面積は Rudstam の式（半経験式)[4]による計算値である。中性子エネルギーが増加するのに従い、生成核種の断面積が増加する。核種によって、その生成させる中性子のエネルギーが異なる。

図１

標的に 0.20 から 11.5ＧｅＶの入射エ

ネルギーの陽子を照射した際の生成断面積の質
量数依存性 [3]入射エネルギーが 0.2GeV（200MeV）では、
標的核付近の質量数をもつ核種のみが生成する
が、入射エネルギーが高くなるにしたがって、標的核の質量数から離れた核種が生成してくる。
0.5GeV（500MeV）では、核分裂反応のように標的核の半分程度の質量数を持つ核種が生成する。入射エネルギーが数 GeV 以上となると比較

図２

中性子エネルギーに対する銅から生成する核種の断面積[4,5]的軽い核種の生成が増加するが、質量数全体分布の変化は小さくなる。
管理すべき放射化としては、加速器本体、周辺機器施設の構造材（鉄、コンクリート）の放射化の他、空気、冷却水、加速器トンネル周辺の土壌の放射化がある。加速器機器から取り外した放射化物の管理については、放射化物保管設備での管理が必要である。加工をする場合には、非密封加速器トンネル内で照射されたた鉄中に生成する核種の運転停止後の放射能の変化を図３に示す[6]。

図４

ＭＲ入射部付近のコンクリート壁における生成核種の深度分布[7]２）ターゲット内に生成する核種
ターゲットは、高エネルギーの陽子が直接衝突するため高度に放射化する。生成する核種は標的核により多種多様となる。KEK-PS において様々な標的核について 12GeV 陽子を用いて生成断面積を測定している。例として金標的におけるター
図３

KEK-PS の遅い取り出しラインで照射した鉄中の放射能の時間変化[6]高強度の陽子加速器施設においては、ビーム加速トンネル内遮蔽コンクリートの放射化が想定され、加速器機器等の保守時の作業員の外部被ば
く線量の低減対策が課題となる。大強度陽子加速器施設(J-PARC) では、コンクリート選定にあた

ゲット中に生成する核種の分布の実験結果を示す[8]。実測された核種の断面積は、○●で示されている。○：Independent 親核を含まない核種●：Cumulative 崩壊系列の親核の生成を含む
核種、―：実線（破線）計算式による同じ質量数を持つ核種の断面積の和である。わかりやすくす
るため、元図から 500MeV の結果は図から除いている。

り、トンネル内遮蔽コンクリートの一部（トンネル内側）に、石灰石を骨材とする低放射化コンク
リートを採用した。図４に、J-PARC のＭＲ入射部付近のコンクリート壁中の放射能の深度分布
を示す。

図５

KEK-PS の 12GeV 陽子を金標的に照射した時の生成断面積の質量数分布[8]標的近傍の生成核種の他、軽い核種の生成も見響という観点から、注意を要する重要な核種であられる。特に、質量数が５０以下での増加が予想る。したがって、大強度加速器施設では、トリチされる。その中の軽い生成核種に放射線管理で重ウムに対する生成量の評価や除去対策およびト

要なトリチウムがあるので、トリチウムについてリチウムに基づく線量評価が必要になる。その取り上げる。

他、ビーム強度が大きい場合には、 14C(半減期大強度陽子加速器では、空気中の原子から生成5700 年)の生成も考慮する必要がある。図９にされる放射性核種に加えて、核破砕反応によりタ12GeV 陽子照射によるアルミニウム中のトリチ

ーゲット中に生成されるトリチウムも重要な内

ウム、14C の生成断面積を示す。14C は、一度生成部被ばく源になることに注意する必要がある。野すると半減期が長く、時間による減少が期待でき

口らは、種々の金属試料を 12GeV 陽子で照射し、ない。

核破砕反応によるトリチウム生成断面積を評価した。第６図に、 12GeV 陽子によるデータと他のエネルギーでの報告値をまとめたものを示す。
トリチウム生成断面積は、陽子エネルギーが約2GeV まではエネルギーと共に増加するが、それ以上ではエネルギー依存性がほとんど見られない。実験データから、 12GeV 陽子に対するトリチウム生成断面積σ(mb)は、ターゲット元素の質
量数(A)とσ(A)=95exp(A/107) の関係で表される（図７）。関係式を用いて、 1g の Cu(トリチウ
ム生成断面積 170mb)、ターゲットに 12GeV 陽子
1012 個を照射した場合について、ターゲット内に生成される放射能とそれらの時間変化（半減期減衰）を計算した結果を第８図に示す。照射終了直図６ 陽子エネルギーに対する Al,Cu,Sn,Pb 中のトリチウムの生成断面積[9]後は 7Be が主成分であるが、約 1 年経過すると、残留放射能のなかでトリチウムの占める割合が最も高くなる。また、より高い中性子発生率を得るために、Cu の代わりに W(トリチウム生成断面積 530mb)や Pb (660mb)などの質量数の大きな元素をターゲットに用いた場合、トリチウム生成
量は Cu の場合の数倍になる。
トリチウムの半減期は 12.3 年なので、生成量が飽和に達するには時間を要する。しかし、大強度ビームで照射した場合は生成量が大きく、また、ビームの出力が大きいため冷却を施してもタ

図７

ーゲット温度が上昇することは避けられないこ

成断面積[9]とから、生成されたトリチウムがターゲット外部へ拡散することが考えられる。トリチウムは、半減期が長く、7Be 等のエアロゾルと異なりへパフィルタ等によって捕集されないため、環境への影

標的の質量数に対するトリチウムの生KEK つくばキャンパスの陽子加速器施設（KEK-PS）との被ばく線量の比較を行った。
KEK-PS は、12GeV 陽子シンクロトロンから取りだされる陽子ビームを利用して、1977 年から2005 年まで素粒子や原子核等の研究が行われた実験施設で、ブースターリング（500MeV）からの陽子ビームも中性子、中間子、医学利用にも使用された(https://www.kek.jp/ja/Facility/IPNS/PS/)。図１
０に、KEK-PS の加速器稼動後の総被ばく線量を
図８ 1012 個の陽子(12GeV)が入射した場合に銅 1g 中に生成する核種の時間変化[9]J-PARC の結果と共に図示した。KEK-PS 加速器が稼働した年から 10 年目までは、実験ホールでの中性子被ばくが、ビームライン周辺での作業によるガンマ線による被ばく線量と同程度で、200-300mSv 人と、大きかった。一方、J-PARC
ではガンマ線の被ばく線量のみで 30mSv 人程度であった。ビーム強度が５０倍以上異なる点を入れて、J-PARC での被ばく線量は、KEK-PS に比べ、かなりの低減となっている。

図９ アルミニウム中に生成する核種の時間変化[10]３） 外部被ばく
外部被ばく防護の三原則の一つに遮蔽があり、J-PARC では実験施設では十分な遮蔽を置き、共同利用者、作業者に対して、外部被ばくを低減している。これまで（2017 年度現在）、共同利用者の有意な被ばく線量は検出されていない。また、すべての放射線従事者においても中性子による被ばく線量は検出されておらず、外部被ばくとしては、加速器トンネル内で作業した被ばく（ガンマ線）によるものである。つまり J-PARC の外部
被ばくについては、実験室等の運転時の被ばく線量でなく、停止後の保守作業による被ばく線量のみとなっている。

図１０ KEK-PS と J-PARC の加速器稼動年による被ばく線量の推移
４） 管理排気放射線発生装置において、3 か月間の空気中濃度の平均が濃度限度の１/１０を超える施設では排気設備が義務付けられていて、管理排気が必要である。放射性核種の生成量は、実際に放射線に曝される空気層での放射線の飛跡長やエネルギーなどに大きく依存し、電磁石等の加速器構成機
器の配置によってその見積もりが難しいこと、また、ビーム損失の評価が容易でないことなどか

一方、運転中は室内の空気を密閉管理し、運転ら、空気中放射能濃度を精度よく評価することは停止後減衰を待って室内への立ち入り、または排困難である。そのため排気設備などの設計は、か気を行えば、短半減期核種に基づく被ばくはほとなり安全サイドに立った評価を基に行われていんど問題とならない。しかし、空気を密閉した状るのが現状である。

態で長時間にわたり加速器を運転すると、施設室内空気では、放射線のエネルギーに依存(1)3H(半減期 12.3 年)や、生成量は少ないもののして、3H (半減期 12 年)、7Be (53 日)、11C (2014C分)、13N (10

等がる、 (2)換気されないために、生成されたエアロ生成される。低エネルギー領域では主に捕獲反応ゾルが室内に沈着し表面汚染を生じる、 (3)空気により生成し、高エネルギーではそれに核破砕反の 放射 線分解 によ って生 成さ れる窒 素酸 化物

応による寄与が加わる。高エネルギー中性子によ(NOx)やオゾン(O3)濃度が上昇し、加速器構成機

る放射化として、空中の窒素 N、酸素 O の(n,2n)

器等が腐食、劣化する(後述)などが問題となる。

反応および核破砕反応(n,sp)により、13N、15O、したがって、大強度施設になるほど、1 次ビーム

11C、7Be、3Hなどが生成される。これらの反応および 2 次放射線に曝される空気量を極力少なくは全てしきいエネルギーが 15 ～ 20 MeV なのすること、また、室内の換気方法を工夫することで、20MeV 以上の高エネルギー中性子束密度でなどにより、被ばく源となる放射性核種の生成量

生成量が評価できる。熱中性子捕獲(n,γ)反応によを低減すると同時に、これらに対する信頼度の高る 41Arい線量評価法を確立することが重要になる。

分)、15O (2 分)、41Ar (1.83 時)の生成として、空気中に 0.93%含まれての生成を評

前述のように J-PARC では環境への負荷低減も価するためには、熱中性子束密度 Φth (n/(s・あり、運転中は排気しないで内部循環のみあり、

cm2))を使用する。加速器施設の熱中性子束密度

運転停止後に、短半減期核種を減衰させた後、排は、経験的に以下の式から求めることができる。

気を行っている。排気は、浄化装置（へパフィル

いる

40Ar

の (n,γ) 反応による

41Ar(5,730 年)など、半減期の長い核種が蓄積すΦth = C・Q / Sタ等）を通して、排気口（排気筒）から放射能を

ここで、Q は発生中性子数(n/sec)、S は室内全測定しながら行っている。J-PARC の排気設備に表面積(cm2)、定数 C

は 1.25 から 4 である[11]。

7Be はエアロゾルとして存在するのに対し、3H、おいて検出されている核種としては、空気中の組成元素から生じる

11C、13N、15O、18F は 98%以上がガスである。加

14O、15O)

速器室内の空気中に存在する放射性核種の生成

がある。

41Ar

3H、 7Be、 β+核種(11C、13N、の他に、197Hg、82Br、125I など

源として、 空気中の原子から生成されるもののトンネル内などへの入域には、作業環境測定のほか ターゲットや加速器構成機器から発生するとしてダストフィルターによる空気中濃度の測ものがあるので、ターゲット周辺の空気について定も行っている。加速器運転中はトンネル内空気は注意を要する。

を循環し除湿しているため、ドレン水中に空気中運転時も常時排気されている加速器室内ではのトリチウムが含まれる。空気中のトリチウムが標的核種の存在割合、生成断面積、半減期等の兼除湿水に含まれ、排水槽の水と一緒になるため、合いから、 11C、 13N、 15O などの短半減期核種

加速器では場所により、冷却水中濃度よりも排水が主要な生成核種になる。これらの濃度は短時間

槽内のトリチウム濃度が高いことが起こる。

の照射で飽和値に近づき、また、 7Be 等のエアロ

中性子エネルギーに対する断面積データは少ゾル以外は粒子フィルタによって捕集されない。

ないが、図１１に一例として、中性子エネルギー

そのため J-PARC などの大強度加速器では、排気に対する酸素からのトリチウム生成断面積を示

中濃度限度との関係から、加速器運転中に室内空す。

気を常時排気することが困難になる。

表１

空気中に生成する核種の生成断面積[12,13]
核種を計算体系に入れるのは困難であるため、既設の施設の測定値を元に評価することも多い。

半減期断面積(mb)加速器トンネル内で放射化した冷却水や除湿Oにより回収した水は、排水槽に集め放射能濃度をＮ------------------------------------------------------------

測定した後、排水する。排水には、排水濃度限度

H-3

12.3y

30

30

が決められており、核種ごとの限度との比を取

Be-7

53d

10

5

り、核種の比の和が１を下回ったことを確認し排

C-11

20min

10

5

水可能となる。つまり、１核種の濃度限度を下回

N-13

10min

10

9

っても、他の核種の濃度が高ければ排水できな

O-14

1.2min-1

い。また、濃度が高い場合には、排水可能な濃度O-15

2.1min-40限度以下となるよう、水で希釈する必要がある。

Ar-41

1.83h

610mb in Ar40

高エネルギー高出力の加速器では、排水槽の数、容積、希釈またはイオン交換樹脂除去、排水頻度（排水ごとに排水測定が必要）を考えて、排水設備を設計する必要がある。配管の腐食生成物の対策として J-PARC では、冷却水を脱酸素装置に通し配管の腐食を防いでいる。しかし、トリチウムについては、半減期が１２年と比較的長く、
イオン交換樹脂でも除去できない。トリチウム排水については、化学形によって排水中の濃度限度が異なるので注意を要する。たとえば、トリチウ
ムでは純水については

図１１

中性子エネルギーに対する酸素中に生成するトリチウムの生成断面積 [14]機物では60Bq/cm3 であるが、有20Bq/cm3 となる。排水濃度が高い場

合には、適時全有機炭素計で有機物が含まれていないか確認する必要がある。J-PARC では、周辺

５）管理排水環境への配慮から、排水時に濁度測定、PH 測定の測定を行い、値を確認してから排水を行ってい多くの加速器施設の冷却系は密閉系で循環しる。

ている。水の構成元素は、水素と酸素であり、生成量が多いのは 13N、15O、11C である。運転中は

６）

放射化物の取扱い

排水しないため、酸素から発生する核種で排水時に問題となるのは、主に 3H、7Be である。しか高エネルギー加速器施設の放射化物の取扱い

し、実測された排水中の放射能として 22Na、で注意を要することとして、 鉄やステンレス鋼

52Mn、54Mn が検出される。これは放射化した冷の中に、トリチウム(β-崩壊、半減期 12.3 年)、

却水配管（銅、ステンレス、鉄）の腐食等により55Fe(軌道電子捕獲、2.7

冷却水中へ 22Na、52Mn、54Mn 等の放射性核種が年)などの、放出する放射線のエネルギーが極めて溶け込むためである。これらの核種は、冷却水系

低く、また、γ線を放出しないため、検出が困難

統のイオン交換樹脂で除去される。7Be についてな放射性核種が生成されることがある。 55Fe、も、かなりの程度、除去できる。水中の放射能は、

63Ni について、加速器トンネル（KEK-PS）で測

空気の放射化と同様に粒子束と反応断面積から定した例を図１２、１３に示した。図１２は銅１計算できるが、加速器室内の複雑な冷却水の経路

年)、 63Ni(β-崩壊 100

ｇ中の生成核種、図１３はステンレス鋼１ｇ中の生成核種の照射終了後の時間変化を示す。
いずれの核種も線量率への寄与は小さいが、生成断面積が大きく半減期が比較的長いため、加速器停止後も長期間にわたって加速器機器等に残る。したがって、放射化物表面の線量率が減少しても、放射性核種が残っているおそれがあることを考慮して、加工にあたっては、使用履歴を把握しておくことや空気中放射能濃度の事前評価などが被ばく防護上重要になる。
現在のところ、放射化物の加工時における内部
被ばく線量は、外部被ばく線量と比較して低く、無視できる場合がほとんどである。しかし、大強度加速器施設では、生成される誘導放射能が桁違いに増大することもあるため、放射化された機器等を不用意に加工すると、作業者が有意の内部被ばくを起こす可能性がある。

図１３ ステンレス鋼１ｇに生成した核種の時間変化[15]７）

その他(放射線化学効果、環境への配慮)

加速器の運転中に発生する放射線は、核反応により放射性核種を生成する（放射化）と同時に、特異な化学反応を引き起こす（放射線化学効果）。
高エネルギーの電子、陽子加速器施設の加速器トンネル内では、空気中に硝酸や亜硝酸などが生成する。これらの窒素酸化物類が金属製の加速器部品を腐食する可能性がある。放射線が高く機器の腐食を避けるためには、機器全体を遮蔽体を兼ねた空間として、中の空気をヘリウムで置換する等の対策が必要となる。
放射線照射により低分子量のガス状生成物が発生することが多い。放射線酸化反応が起こらない条件で、ポリエチレンを照射するときの発生ガ
図１２
[15]

銅１ｇ中に生成した核種の時間変化

スは、水素がほとんどである。種々の高分子でも水素が発生し、その他にその高分子を構成している元素に由来したガスが発生する。例えばポリ塩化ビニルであれば塩素水素、フッ素系高分子であればフッ素やフッ化水素と言った具合である。腐食性ガスが発生する場合には注意する必要がある。

また、水の放射線分解により水素が発生し問題[12] A.H.Sullivan `A guide to radiation andとなる濃度になることがある。J-PARC の MLF

radioactivity levels near high energy particleなどでは、放射線分解により発生した水素と酸素

accelerator` Nuclear Technology Publishing,を水に戻して系統の圧力増加を防ぐ再結合器が接続されている。再結合器は一次冷却水から放射

p138 (1992)[13]アイソトープ手帳 11 版、日本アイソトープ

線分解により発生した水素と酸素を触媒により協会 (2011)

水に戻す装置である。再結合器はポンプ（金属ベローズ型）、加熱器、触媒筒及び冷却器で構成されている。

[14] JANIS Web(*http://www.oecd-nea.org/janisweb/)[15]M.Numajiri et. al., Appl. Radiat. Isot.,

加速器機器及び施設の安全設計ガイドライン」に

45,509 (1994) Ni-63[16]高放射線場における加速器機器及び施設の詳しい記述がある[16]。

安全設計ガイドライン, 高崎稔、平山英夫編集、

放射線損傷については、「高放射線場における

KEK Internal 97-17(1997)
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以下は、放射線管理で参考となる文献である。
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OHO2016
J-PARC 放 射 線 管 理 年 報 (2011 年 度 ) KEK
Internal 2012-7; JAEA-Review 2012-050
J-PARC 安 全 管 理 年 報 (2014 年 度 ) KEK
Internal 2015-5, JAEA-Review 2015-038
J-PARC 安 全 管 理 年 報 (2015 年 度 ） KEK

J. Phys. Soc. Jpn, 57, pp.2995-3002(1988)

Internal 2016-12; JAEA-Review 2016-032
J-PARC 安 全 管 理 年 報 (2016 年 度 ）[9]M.Noguchi et.al., Appl.Radiat.Isot., 42,

JAEA-Review

577 (1991) H-3[10]M.Numajiri et., al., J. Radioanaly. Nucl.
Chem. 255, 481(2003) C-14
[11] T. Ishikawa, H. Sugita, T. Nakamura,
Health Phys., 60, 209 (1991).

2017-033,

KEK

Internal

2017-009
渡辺愈 身近な物理学の歴史、東洋書店 1993
放射線遮蔽ハンドブック基礎編
大学等における放射線安全管理の実際（大学等
放射線施設協議会）

放射線安全管理の実際（日本アイソトープ協会）

このため、ラジウム 1g の放射能は厳密には 1 キ
ュリーではない。
ラザフォードは、α線の質量／電荷比を求める

付録

端緒を開いた。測定精度を上げる努力を続けた結果、1906 年にこの比が水素イオンの値の約 2 倍

１.放射線発見の歴史、放射線・放射能とノーベルであることが分った。原子量が 2 の元素は存在し賞ないから、水素に次ぐ軽い元素で、電荷が 2、原
今から約 120 年間で、Ｘ線をはじめとしてα線、子量が 4 のヘリウムイオンと考えれば辻褄が合

β線、ガンマ線、中性子が発見された。簡単に歴う。こうしてα粒子が正の電荷を持つヘリウム原史を振り返る。

子核であることが分った。なお、1903 年に、あ1895 年、レントゲンがＸ線を発見した。1986

る種の放射性物質からヘリウムが生成されるこ

年、ベクレルは、ウランが放射線を放出するのをとが見出され（ラムゼーとソディ；マギル大学）、発見した。1897 年、トムスンが、電子を発見。

ラザフォードらは、ラジウムの試料から放射され1898 年、ラザフォードが、α線、β線を名づけたα粒子を集めてその光スペクトルがヘリウムた。ラザフォードは、気体の電気伝導に及ぼすＸと同じであることを確認している（1907-1908

線の効果について J．J．トムソンとの共同研究を年）。

行った後、Ｘ線と放射性物質から放出される放射ベクレルは、「ウランによって放出される放射線は本質的に同じ振る舞いをすることを示した。

線の一部（ラザフォードによってβ線と呼ばれた

また、彼は、Ｕ（ウラン）や Th（トリウム）な放射線）は、磁場によって曲げられ、その方向はどの天然の放射性物質から出ている放射線の物

陰極線と同じ向きである」と述べた（1899 年）。

質による吸収の測定から、ＵやＴｈから放出されラザフォードは、γ線がＸ線のように波長の短る放射線には性質の異なる少なくとも２種類のい光であると考えたが、このことは、γ線を結晶ものがあり、１つは電離能力が非常に大きく、そに当てたときの散乱を観測して、これからγ線ののため物質に吸収されやすく、薄い紙でも止って波長を測定することによって証明された（1914

しまうが、もう１つは、これよりも電離能力が小年、ラザフォード及び E．N.ダコスタ・アンドラ

さく、透過力が大きいことを明らかにした。ギリード）。

シャ語のアルファベットの最初の 2 文字を用い1930 年、ローレンスとリビングストンが加速て、前者をα線、後者をβ線と命名した。この他

器サイクロトロンを発明した。1932 年、チャドにβ線よりもさらに透過力が大きい放射線も存

ウィックが中性子を発見した。その後もノーベル在することが分り、それをγ線と名付けた（1903賞の受賞対象をみると放射線・射能に関係する発年）。

見や発明があった。

1902 年、キュリー夫妻がラジウム塩を精製し表 A 放射線、放射能とノーベル賞た。ラジウムが放射線を出している能力に「放射能」と名付けた。ピエール・キュリー/マリ・キュ

年

リー夫妻の名である単位名称、キュリー（Ci）は、1901 物理学賞 レントゲン

Ｘ線の発見

ラジウムについては 1g、ラジウム系列の元素につ1903 物理学賞 ベクレル

放射能の発見いては 1g のラジウムと平衡にある放射性物質の1903 物理学賞 キュリー夫妻

放射能の研究量 とし て定義 され た。国 際放 射能単 位委 員会

1905 物理学賞 レーナルト

陰極線に関す(International Commision on Radiological
Units) では、ラジウムに依存した定義を廃し、る研究

3.7×1010 壊変毎秒(Bq)という定義が採用された。

よび放射性物質の化学に関する研究

受賞部門

1908 化学賞受賞者

ラザフォード

受賞対象

元素の崩壊お1911 化学賞

キュリー

ラジウムおよびポロニウムの発見とラジウムの性質
およびその化合物の研究

1944 化学賞

ハーン

原子核分裂の発見

1946 生理学・医学賞

マラー Ｘ線照射による人工突然変異の発見

1914 物理学賞 ラウエ結晶によるＸ

線の回折の発見

1948 物理学賞 ブラケットウィルソン霧箱の改良、それを用いて核物理・宇宙線物理学にお1915 物理学賞 ブラッグ父子

Ｘ線を用いたける発見
1949 物理学賞 湯川秀樹

結晶構造の研究
1917 物理学賞 バークラ

元素の特性 X

核力の理論研究に基づく中間子の存在の予言
1950 物理学賞 パウエル

線の発見
1918 物理学賞 プランク

熱輻射の研写真による原子核崩壊過程の研究方法の開発およびその方法に究、エネルギー量子の仮説

よる諸中間子の発見

1921 物理学賞 アインシュタイン 理論物理学の1951 物理学賞 コッククロフト

諸研究、特に光電効果の発見
1921 化学賞

ウォルトン

ソディ

放射性物質の研究、同位体の起源と性質の研究
1922 物理学賞 ボーア

原子核粒子による原子核変換についての先駆的研究

原子の構造と1952 物理学賞 ブロッホ原子からの放射に関する研究

パーセル

1927 物理学賞 ウィルソンウィルソン霧箱の発明及び気体電離の研究

定における新しい方法の開発とそれについてのコンプトン効1951 化学賞

マクミラン

果の発見

シーボーグ
ユーリー

1935 物理学賞 チャドウィック
1935 化 学 賞

重水素の発見

発見

中性子の発見1954 物理学賞 ボーテ

ジョリオ・キュリー夫妻

人工放射性同位元素の研究
陽電子の発見1936 物理学賞 ヘス

宇宙線の発見

コインシデンス法（同時計数法）による原子核反応とガンマ線に関1958 物理学賞 チェレンコフ
フランク チェレンコフ効果の

と研究

タム
デバイ

双極子モーメ造の研究
1937 物理学賞 デビィソン

結晶による

トムソン

電子の回折の発見

1938 物理学賞 フェルミ

中性子照射に発見とその解釈1959 物理学賞 セグレ

ントの研究、Ｘ線回折・電子線回折による分子構

反陽子の発見チェンバレン
1960 物理学賞 グレーザー

泡箱の発明

1960 化学賞

リピー

放射性炭素に

ホジキン

Ｘ線回折によよる年代決定法
1964 化学賞

よる放射性元素の研究、熱中性子による原子核反る生体物質の分子構造の解明

応の発見

1967 物理学賞 ベーテ

1939 物理学賞 ローレンス

サイクロトロ

成に関する発見

究1977 生理学・医学賞
化学反応の研究における標識としての同位体の使用

原子核反応理論への貢献、特に星の内部におけるエネルギー生

ンの発明と改良、それによる人工放射性元素の研1943 化学賞 ド・ヘヴェシ

超ウラン諸元素のする研究

1936 物理学賞 アンダーソン

1936 化学賞

核磁気の精密な測発見

1927 物理学賞 コンプトン
1934 化学賞

人工的に加速した

ヤロー

ペプチドホルモンのラジオイムノアッセイ法の開発
1979 生理学・医学賞

ハウンズフィールド

コーマックコンピュ

度分布を持つ。核子、特に中性子の放出は、d、t、ータを用いたＸ線断層撮影の開発

3He、αやさらに重い正の電荷を持つ粒子に比べ1985 化学賞 ハウプトマン

起こり易い。（中性子の少ない核種が生成されやカール

結晶構造を直接決定する方法の確立
1986 物理学賞 ルスカ

すくなる。
）
３）残留核生成

電子を用いた光学に粒子放出がもはやできなくなると、残留励起エ

関する基礎研究、特に最初の電子顕微鏡の設計

ネルギーはガンマ線として放出される。蒸発する

1994 物理学賞 ブロックハウス

荷電粒子はエネルギーが比較的低いので、それ以シャル凝縮体の研究に用いる中性子散乱技術の開発についての上核反応を起こすことはほとんどなく、減速し静
止する。

先駆的貢献
2003 生理学・医学賞

ラウターバー
マンスフィールド(1)

核磁気共鳴画像法に関する発見
2.高エネルギー粒子による核破砕反応（2 stepmodel）
核破砕反応とは約 100MeV 以上のエネルギーを持つ粒子によって引き起こされる多数の二次(2)粒子放出を伴う非弾性核反応である。エネルギーの十分高いハドロン(陽子、中性子など)が物質に入射すると、次の二つの段階の核反応が起こる。
第一の段階は入射粒子が核内の個々の核子(陽子、中性子)と衝突する核内カスケードである。

(3)１）核内カスケード（第一段階）
衝突した入射粒子及びはじき出された核子のエネルギーが高い場合は、さらに衝突を繰り返す 。 こ の 過 程 を 核 内 カ ス ケ ー ド(Intra-Nuclear-Cascade)と呼ぶ。
入射粒子のエネルギーが約 400MeV を越えると非弾性パイオン生成衝突が起こり始める。したがってこの段階では p、n、π+、π-、π0 の放出があり、励起状態の残留核がつくられる。この段
階の放出粒子は、入射粒子の進行方向に強い角度分布をもっている。
２）蒸発過程（第二段階）
核内カスケードが終了すると、核内にとどまった核子の持つ運動エネルギーは全ての核子間で平衡に達する。続いて第二段階として残留核からの核子の蒸発が起こる。この段階で放出される粒子のエネルギーは 0.1-10MeV と低く、等方的角

図Ｂ（１）高エネルギー（１００ＭｅＶ以上）の陽子が原子核に衝突すると入射エネルギーが高い
ため原子核の深部に到達する。（２）入射陽子が核内の個々の核子(陽子、中性子)と衝突する。この段階の放出粒子は、入射陽子の進行方向に強い
角度分布をもっている。（核内カスケード：第一段階）（３）核内カスケードが終了すると、核内にとどまった核子の持つ運動エネルギーは全ての核子間で平衡に達する。続いて第二段階として残留核からの核子の蒸発が起こる。放出粒子は、等方的角度分布を持つ。中性子の放出は、陽子等の正電荷を持つ粒子に比べ起こり易い。