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作成： 2000/02/25 森田 洋右
データ番号 ：017002
有機材料の耐放射線性に関する基本事項(2)-照射条件の影響-
目的 ：有機材料の耐放射線性評価のための基礎事項の解説
放射線の種別 ：エックス線,ガンマ線,電子,陽子,中性子
応用分野 ：一般工業材料
概要 ：
有機材料は放射線場で使用されると、材料としての力学特性や電気特性を低下させることが多い。低下の度合いは、場の雰囲気(特に酸素の存在)、温度、線量率・線量及び形状によって異なる。ここでは、放射線場で使用される有機材料の耐放射線性評価試験に係わる照射条件の影響を解説する。
詳細説明 ：
(1) 雰囲気の影響：真空、不活性ガス、空気(酸素)、反応性ガス、あるいは液体によって、照射効果が大きく異なる。通常、真空中と不活性ガス雰囲気では同じ照射効果を与えるが、真空中の場合には分解ガスによる発泡や、断熱効果による材料温度の上昇を伴うことがある。雰囲気が空気(酸素)の場合には、室温あるいは室温以下の温度においても放射線酸化反応*1が誘起され、主に分子鎖の切断が起こる。試料内の酸化の度合いや分布は線量率と試料の形状に依存する。すなわち、酸化の分布は試料中の放射線酸化反応による酸素の消費量と、試料表面から内部へ拡散により供給される酸素の供給量との関係で決まる。酸化劣化反応は酸化防止剤などの添加剤の種類や量にも大きく依存する。また、空気(酸素)の場合には放射線によりオゾンが生成し、照射によって生じた不飽和結合などが酸化され、劣化がさらに進行することがある。
(2) 線量率の影響：真空中や不活性ガス雰囲気ではほとんど認められない。しかし、照射雰囲気が空気(酸素)の場合には、酸化劣化反応が線量率に依存する。線量率を低くするほど酸化の領域の深さが広がり(図１−(a))、また、酸化劣化領域では酸化の連鎖反応が起こり、これも線量率依存性の原因となる。
図1 Effects of dose rate and thickness on oxidation profiles of EPDM sheet. (a)Effect of dose rate;Irradiation:74kGy in air at r.t. (b)Effect of thickness;Irradiation:200kGy(1kGy/h) in air at r.t.（原論文1より引用）
(3) 試料形状の影響：照射雰囲気が空気(酸素)の場合には、主に試料厚さに依存する。試料が厚く線量率が高い場合には試料表面に近い領域で酸化が進行し、試料内部では酸化が起こらない(図１−(ｂ))。
(4) 照射温度の影響：一般的に照射温度が高くなると放射線の効果は大きく現れる。照射効果は材料の分子運動性と強い関係があり、材料の転移温度(ガラス転移点や融点など)の上と下では照射効果が著しく異なることがある。一般に、有機高分子材料では分子運動性の違いにより液体窒素温度（−196℃）での劣化は室温照射に比べ約1/20に低下する(図2)。
図2 Changes in flexual strength of GFRP measured at 77K after irradiation
●：Irradiated at RT; ▲：Irradiated at 77K and measured without warming up; ▼：Irradiated at 77K and measured after warming up（原論文2より引用）
(5) 金属や応力などの影響：有機材料が原子番号の大きな材質に挟まれて照射される場合、荷電粒子平衡*2や後方散乱*3により実効線量が大きくなる。また、材料に引張りや圧縮応力を与えながら照射した場合には、劣化が加速されたり、永久ひずみが残留することがある。
(6) 線質効果：有機材料に対するγ線、X線と電子線照射効果では、物質への放射線エネルギーの付与の仕方がほぼ同じであり、試料の形状や照射雰囲気および線量率などの照射条件を同一にすると、照射された材料の特性変化は同じであることが実証されている(図3-(a))。 中性子のLETはγ線のそれに比べて約2桁高いが、数種類の有機材料について試みられた高速中性子(約1MeVの中性子でLET*4はγ線の約200倍)照射実験では、吸収線量で比較するとγ線照射とほとんど同じ効果であるとされている(図3-(b))。ポリエチレンやエチレン-プロピレンゴムに高速中性子を照射した場合には、6×1010n/cm2が1Gyに相当する。また、高エネルギー陽子(10〜30MeV)の照射効果においても、有機材料の劣化は吸収線量で比較すると電子線やγ線照射の場合とほぼ同一となるとされている。
図3 Radiation effect on polyethylene by various radiations (a) Elongation and tensile strength at break of polyethylene by 60Co γ-ray or electron beam irradiation(論文3より引用).(b)Gel fraction aganist dose for PE irradiated under vacuum in the reactor and by Co-60 γ-ray.
透過性の高いγ線や中性子線は材料の深さ（厚さ）方向に対してほぼ均一な反応活性種の分布を与える。これに対し、電子線やイオン照射では材料の深さ方向に対して深度線量分布*5に従って不均一な活性種の分布を与え、これによって物性の変化も分布を持つので照射効果が異なって現れることがある。
また、中性子やプロトン、ヘリウムイオン照射では材料が放射化するので注意を要する。
注
*1：放射線酸化反応：有機化合物が酸素の存在下で放射線照射されるとき、生成された遊離基が酸素と優先的に反応して酸化される現象。放射線酸化は室温以下でも起こる。
*2：荷電粒子平衡：放射線照射によって物質中に生じた二次電子などの荷電粒子が、その物質内のある領域においてエネルギー、数、方向などについて平衡になっている場合を荷電粒子平衡が成立しているという。
*3：後方散乱：電子は軽いので物質の原子核の強い電場で繰り返し散乱する。入射電子線の方向とは逆向きの90度以上の角度方向へ散乱することを後方散乱という。入射電子線エネルギー300keV(空気層10cm)でCTA線量計(170μm厚)の後方(背面)物質として、アルミニウム、モリブデン、タングステンを置いた場合、後方物質としてCTAを置いた場合に比べ、CTAフィルムの吸収線量はそれぞれ6%、23%、33%増大する。60Co−γ線(1.17MeVおよび1.33MeV)の後方散乱線の主たる成分は、コンブトン効果によって後方の物質原子からはじき出された電子が多重散乱して出てきたものである。CTA線量計の後方物質としてステンレス板を用いた場合、ステンレス板に密着したところの吸収線量は22%増大する。
*4：線エネルギー付与（LET)：電離放射線が物質中を通過するとき、その飛跡に沿って単位長さあたりに物質に付与するエネルギーを線エネルギー付与という。
*5：深度線量分布：放射線を照射したとき、入射方向からみて材料の深さ方向の吸収線量分布をいう。材料の厚さや密度、および入射放射線のエネルギーの関数である。
コメント ：
有機材料の照射条件では、酸素の有無と照射温度の影響が重要である。また、放射線種の違いによる有機材料の照射効果は吸収線量で評価するとほとんど同じになるので、実験の難しい中性子照射をγ線や電子線照射で代替することができる。
原論文１ Data source 1：
Study of Radiation- and Thermal-Oxidized Regions in Ethylene-propylene Rubber Using an X-ray Microanalyzer
Y.Morita, T.Yagi, W.Kawakami
JAERI, Takasaki
"Radiation Effects on Polymers", ACS Symposium Series 475,p485(1991)
原論文２ Data source 2：
Temperature Effects in Gamma-Ray Irradiation of Organic Insulators for Superconducting Magnets for Fusion Reactors
H.Kudoh, N.Kasai, T.Sasuga, T.Seguchi,
JAERI, Takasaki
"Irradiation of Polymers", ACS Symposium Series 620,p313(1996)
原論文３ Data source 3：
高分子絶縁材料のγ線と電子線の照射効果の比較
春山 保幸 他
JAERI, Takasaki
JAERI-M 88-197(1988)
原論文４ Data source 4：
Fast neutron irradiation effect-II. Crosslinking of polyethylene, ethylene-propylene copolymer, and tetrafluoroethylene-propylene copolymer
T.Seguchi, N.Hayakawa, K.Yoshida, N.Tamura, Y.Katsumura, Y.Tabata
JAERI, Takasaki and Tokyo Univ.
Radiat. Phys. Chem. Vol.26,No.2,p221(1985)
キーワード：照射雰囲気、線量率の効果、放射線酸化、酸素の拡散、試料形状、照射温度、線質、転移温度
environment of irradiation, dose rate effect, radiation oxidation, diffusion of oxygen, size of specimen, irradiation temperature, sort of radiation, transient temperature
分類コード：010101、010102、010105
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