タングステン合金シールドの動作原理は何ですか?

1. 基本原則: 相互作用による減衰

放射線シールドの主な目的は減衰、つまり放射線が物質を通過するときに放射線の強度を弱めることです。タングステン合金は、その独特の特性により、この点で優れています。

重要な特性: 並外れた密度

タングステン重合金の密度は約 17 ～ 19 g/cm3 です。これは、鉛 (11.3 g/cm3) やスチール (7.8 g/cm3) などの従来のシールド素材よりも大幅に高くなります。

なぜ密度が重要なのか: 放射線を、宇宙を飛び交う小さな高エネルギー粒子 (または光子) の流れとして想像してください。より多くの原子をその経路に詰め込むことができれば、これらの粒子の 1 つが原子と衝突してエネルギーを失う可能性が高くなります。高密度とは、立方センチメートルあたりの原子の数が多くなり、放射線が透過しにくい「壁」が形成されることを意味します。

重要な特性: 高い原子番号 (Z)

タングステンの原子番号 (Z = 74) は非常に高く、その原子には多くの電子に囲まれた大きくて密度の高い核があります。

原子番号が重要な理由: 特に高エネルギー光子 (X 線とガンマ線) に対するシールドの有効性は、シールド材料の原子番号に大きく依存するプロセスによって決まります。 Z が高くなると、これらの相互作用の確率が大幅に増加します。

2. さまざまな種類の放射線に対してどのように作用するか

具体的な相互作用メカニズムは放射線の種類によって異なります。:

A. X線とガンマ線（光子）の場合

ここがタングステンが最も明るく輝く場所です。光子には質量や電荷がないため、原子との直接相互作用によってのみ停止できます。 3 つの主要なプロセスが発生します:

光電効果: 光子はタングステン原子の内殻電子と衝突し、そのすべてのエネルギーをタングステン原子に伝達し、電子を原子から放出します。光子は完全に吸収されます。この効果はより低いエネルギーで支配的であり、(Z⁴/Z⁵) に比例するため、タングステンの高い Z は信じられないほど強力になります。

コンプトン散乱: 高エネルギーの光子は、緩く結合された外側の電子と衝突します。エネルギーの一部だけを電子に伝達して電子を反動させ、光子自体はより低いエネルギーで新しい方向に散乱します。このプロセスにより、シールド内の放射線ビームの方向が繰り返し変更され、弱められます。

ペアプロダクション: 非常に高エネルギーの光子 (>1.02 MeV) の場合、光子はタングステン原子核の強力な電場と相互作用し、物質と反物質のペア (電子と陽電子) に変換されます。これらの粒子の生成には光子のエネルギーが消費されます。

つまり、タングステンの高い Z と密度により、これらの相互作用が非常に起こりやすくなります。つまり、光子は非常に短い距離で吸収されるか、大幅に弱められることになります。

B. アルファ粒子とベータ粒子の場合

アルファ粒子 (He 原子核): これらは重く、充電され、簡単に停止します。薄いシールドで十分です。タングステンは、過剰なため、通常、純粋なアルファ エミッタには使用されません。その主な価値は、ベータ粒子の速度が低下したときに生成される二次 X 線 (制動放射) をブロックすることです。

ベータ粒子（電子）: ベータ粒子がタングステンを通過すると、電子との衝突（イオン化）によって速度が低下し、原子核によって偏向されます（制動放射線）。タングステンの密度が効果的にそれらを阻止します。

C. 中性子の場合

中性子は帯電していないため、電離だけでは止めることができません。シールドには、異なる 2 段階のアプローチが必要です:

節度: 中性子は、まず軽い原子 (水、ポリエチレン、パラフィン中の水素など) と衝突して減速 (減速) する必要があります。高速中性子はこれらの衝突でエネルギーを失い、低速の「熱」中性子になります。

吸収: 熱中性子は、いったん減速すると、ホウ素 10 やカドミウムなどの特定の元素の原子核によって捕獲 (吸収) される可能性があります。タングステン自体は優れた中性子吸収体ではありません。

タングステンの役割: 中性子とガンマ線の両方が存在する混合場放射線（原子炉など）では、タングステンまたはタングステンベースの複合材料が使用されます。タングステンはガンマ線を効果的に遮断し、ホウ素をドープしたポリマーや他の中性子吸収材料は、多くの場合合金と層状になったり、合金に組み込まれたりして中性子を処理します。