放射線化学バイオ応用理工学特論

放射線利用と放射化学
秋吉 優史

発電以外の原子力利用
1997年に行われた調査では、原子力の発電としての利用の経済規模は5.7兆円なのに対して、工業・農業・医療での放射線利用の経済規模は6.3兆円となり、発電の経済規模を上回っていた。
その後、2005年頃に再度調査が行われたが、やはり発電以外の利用は発電と同等かそれ以上であった。
1997年

放射線の利用
放射線の工業利用

放射線による計測

材料改質、重合反応、微細加工、イオン注入、非破壊検査

X線、γ線、中性子線透過撮影、X線回折、電子顕微鏡、EDX・オージェ電子分光・PIXE等による元素分析、
WDX・EELS 等による化学状態測定、放射化分析、煙感知器、中性子水分計、陽電子消滅測定など

放射線の医療応用～診断～
透過X線撮影、CT、PET、血管造影、SPECT（単一光子放射断層撮影）

放射線の医療応用～滅菌～

放射線の医療応用～治療～
X線、γ線による体外照射、小線源挿入による体内照射、放射性ヨウ素による甲状腺治療、陽子・重粒子線ガン治療、BNCT（ホウ素中性子捕捉療法）、ガンマナイフ

手術器具、注射針、手袋、マスク、ガーゼ、チューブ、バッグ、医薬・化粧品原料など

放射線の農業利用

放射線による年代測定

品種改良、不妊化による害虫駆除、ジャガイモの芽止め、香辛料などの殺菌（国外）、RIによるトレーサー研究など

C-14 年代測定法、カリウム-アルゴン年代測定法など

放射線の工業利用

ラジアルタイヤ

耐熱性電線熱収縮チューブ

発泡プラスチックデンプン、セルロースの架橋光学的性質
透光性のある結晶の場合、波長による光の透過率の違いによって結晶状態を評価できる。
また、波長の短い光や放射線を当てることで励起された結晶構造が脱励起することにより特定の波長の光が放出される場合があり、その波長や強度から結晶構造を知ることができる。

天然の黄色(右）と他は照射トパーズの色（Museum of Gems より）

特定の波長の光を色中心（color center）の生成などによって吸収するようになると、着色して見えるようになる。
ダイヤモンドやサファイア、トパーズなど一部の宝石では照射により着色処理を行っている物がある。
さらに、反射光の波長が入射光の波長からシフトする、ラマン散乱を測定することで、結晶の振動準位や回転準位、電子準位を知ることができる（ラマン分光法）。

放射線による計測

X 線回折Laue や Bragg らによって確立された X線回折によって、結晶構造状態評価を行う上で無くてはならない非常に重要な格子面間隔の情報を得ることが出来る。

格子定数 × 空間群 → ある面指数の面
どのような対称性を持てばどのような面間隔を持つ格子面が存在しうるか→ 230の空間群 （結晶構造の対称性をまとめた集合）
様々な組成の結晶に対してこの格子定数と空間群をデータベース化→ 測定されたスペクトルからどのような結晶であるかを知ることが出来る。
それぞれの回折ピークの詳細な解析（半値幅の変化やピークシフト、相対強度変化など）によって、結晶粒の分布状態や、特定の方向に歪みがかかるなどの応力状態を知ることなども可能となる。

電子線の入射で出てくるもの

入射電子
カソードルミネッセンス(CL)
特性X線 → EDX

オージェ電子
反射電子 →
SEM
二次電子 →制動放射X線

チェレンコフ光

ビーム電流

非弾性散乱電子 → EELS→→弾性散乱電子（回折電子） 透過電子
TEM

透過電子顕微鏡観察(TEM)
高倍率で結晶状態を観察可能であり、高分解能観察（HREM）では原子の配列状態を直接的に視覚的に知ることが出来る。

0.5μm

日立 H-9000 型 300kV TEM

中性子照射したβ-Si3N4 の明視野(Bright Field)像1nm

中性子照射したβ-Si3N4 中の格子欠陥構造高分解能像 (HREM)

ただし、本質的に原子の「規則的な配列状態」を視覚化する装置であり、個別の格子間原子や空孔を検知することは困難であり、アモルファス構造などは捉えることが出来ない。
また、試料調整が決定的に重要な役割を果たしており、いかに試料を電子線が透過しうる nm オーダーまで薄膜化するかが目的の観察を行えるかどうかの鍵を担っている。

TEM 観察例

α-Al2O3 に導入された転位ループ
ボイドと粒界クラック

10nm

AlN に導入された転位ループ（観察面は{100}面）と粒界クラック

TEM 観察例

β-Si3N4 に導入された転位ループ（観察面は(001)面）

β-SiC に導入された転位ループ（観察面は(001)面）

陽電子消滅法
陽電子と電子とが対消滅を起こすと、2本の 511keV γ線が反対方向に放出されるが、そのエネルギーは消滅時の陽電子と電子の運動量の分だけ 511keV からずれている。
これをドップラーシフトと言い、物質中での電子状態を知る有効な手段として広く利用されている。
物質中に入射された陽電子が電子と対消滅するまでの寿命は、物質に依存するが 100ps～1ns のオーダーであり、消滅相手の電子の密度に大きく影響する。

材料が均一ではなく、陽電子が空孔やその集合体に捕獲されたとき、陽電子の寿命はこれらの欠陥のない試料に比べて長くなる。
これは、局所的に欠陥のところで電子密度が低くなるためである。
空孔サイズ

陽電子寿命

欠陥の数

長寿命成分の強度放射光 X線分析
科学捜査ー和歌山毒物カレー事件（1998）

PIXE (Particle Induced X-ray Emission)
粒子線励起Ｘ線分析法
微量元素分析

Solution Containing 200 ng of Various Elements

細胞中のリンの分布

RBS (Rutherford Back Scattering)
ラザフォード後方散乱分析法

Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)
二次イオン質量分析法
質量分析器

スパッタリングによる二次イオン放出

AMS (Accelerator Mass Spectrometry)
10Be, 14C, 26Al, 36Cl, 41Ca, 129I

測定試料

年代測定：考古学、地質学、宇宙科学
同位体比：環境学、薬物動態試験

放射線の医療応用 ～診断～

放射線を用いた診断
1896年に撮影された
レントゲン氏の奥さんの手の透過写真

コンピュータ断層撮影（Computed Tomography）

光子と物質の相互作用の強さによって濃淡が得られる

多方向から撮影したX線透過像から立体的配置を再構成するのがX線CT。
核磁気共鳴を用いたMRIとは全く原理が異なる。

放射線を用いた診断
PET :陽電子放射断層撮影 (Positron Emission Tomography)β+崩壊する核種で標識された化合物を放射性トレーサーとして用いる。
β+核種の半減期は短い（O-15：2分、N-13：10分、C-13：20分、F-18：110分など）ため、投与直前にサイクロトロン等を用いて製造される。

ブドウ糖代謝の指標となる18F-FDGを用いたFDG-PET検査が代表的。

511keV 消滅γe+e511keV 消滅γ
同時計数回路

陽電子が電子と対消滅する際に放出する、511keVの180°方向に放出される2本のγ線を、円周上に配置した検出器で検出し、同時計数回路で処理することでどこで消滅したのかを検出できる。
SPECT: 単一光子放射断層撮影（Single Photon EmissionComputed Tomography）
体内に投与したRIから放出されるガンマ線を検出し、その分布を断層画像にしたものである。
位置を特定するために検出器の前にコリメーターを必要とする。

放射線の医療応用 ～治療～Bragg peak

各種放射線の生体内における線量分布（放医研 ＨＰより）

放射線医学総合研究所
Heavy Ion Medical Accelerator in Chiba(HIMAC)HIMACによる照射の例

重粒子線がん治療に関わる分野の拡がり

放医研HPより

放射線の医療応用 ～滅菌～

放射線を用いた滅菌
設備
透過⼒
材料選択

ガンマ線

電子線

大型

大型

大（梱包⼩（梱包可）可）

耐放射線性 耐放射線性

エチレンオ
キシド

高圧蒸気

⼩〜大型

⼩〜中型

密閉不可

密閉不可

耐圧性

耐熱・耐水性

滅菌温度

常温

常温

40〜60℃

121℃

処理⽅法

連続式

連続式

バッチ式

バッチ式

処理時間

数時間

数十分

数時間

数時間

後処理

不要

不要

ガス抜き

乾燥

残留物なし

なし

残留ガスなし

滅菌確認

線量確認

線量確認

BI無菌試験 BI無菌試験

放射線の農業利用

放射線による年代測定

年代測定法の一例

天然放射性物質の性質を使って、試料の年代を測定出来る

炭素14法
宇宙線により発生するC-14は、現在崩壊して減少する速度と釣り合っており、平衡状態となっている。このため、大気中のCO2に含まれるC-14濃度は一定であり、現在生きて活動している生物中の濃度も一定である。しかし、生物が死んで代謝が停止すると、半減期5730年の崩壊に従ってC-14濃度は減少していく。このため、C-14濃度を評価すれば元になる炭素を取込んだ生物が死んでからの時間が分かる。
ただし、大気中の平行濃度は一定とは限らず、他の方法で年代が明らかな試料の測定から、若干大気中の濃度が変動していることが分かっている。

カリウム-アルゴン法
K-40は半減期12.5億年で壊変して、希ガス元素であるAr-40に変わる。気体であるはＡｒ40は、岩石が熱せられると逸脱してしまうため初期値を０と考え、岩石が冷えてからは逸脱できずに岩石の中にたまっていくと考える。Ａｒ-40は岩石を熱することにより集める事が出来るためこの量を測定すると、岩石が溶岩から固まってからの年代を測定できる。
ただし、変成作用などにより岩石が途中で熱せられると一部のAr-40が逸脱してしまうた
め、評価年代が若くなってしまう。U-Pb法などと併用すると逆に変成作用を受けた年代が評価できる。

14N(n, p)14C

20

天然の放射性核種
地球が誕生して約50億年、未だに天然の放射性核種が残る。
放射性核種の半減期則より10半減期の後では元の1024分の1、40半減期では1兆分の1 となるため、半減期の短い核種は既に消滅している。

壊変系列をつくる放射性核種
親となる核種の寿命が長く(U-238 45億年, Th-232 140億年)、α崩壊に伴って質量数が親核種から4ずつ小さくなる。

系列を作らない核種
大気上層で宇宙線により 3H (1018Bq/y)、14C(1.3x1015Bq/y)が生成される。
3H は半減期12.3年、14Cは5730年と短い。
一方、地球誕生時から存在したものとして以下の核種などが知られている。
40K（半減期12.8億年，天然のK中の存在比 0.0117％）、
87Rb（480億年、27.8％）
147Sm（1060億年，15.1％）
148Sm（8000兆年，11.3％）
115In（510兆年，95.7％）
113Cd（9000兆年，12.2％）
187Re（400億年，62.6％）
144Nd（2100兆年、23.8％）
http://www.shse.u-hyogo.ac.jp/kumagai/eac/chem/radiochem.htm