放射線酸化層の厚さ

先に述べたように、低い線量率で照射するほど酸化層は厚くなります。
この酸化層の厚さと線量率の関係について旧原子力研究所高崎研究所により酸素の拡散式を用いた解析が試みられ（式１）が導かれました¹⁾。

L＝（２DSP/ΦI）^1/2　（式１）

L：酸素膜の厚さ（cm）
D：酸素の拡散速度（cm²/s）
S：酸素の溶解度（mol/g/atm）
P：酸素分圧（atm）
I：線量率（Gy/h）
Φ：消費される酸素係数（mol/g/Gy）

D、S、Φは各高分子固有の値になり、Pは大気中照射であれば一定値です。すなわち、酸化層の厚さLはI（線量率）に反比例します。よって線量率が高くなれば酸化層厚さは小さくなります。

エチレン－プロピレンゴムでの実験結果
（線量を高めても酸化層の厚さは変わらない）

(式１)が実際の放射線酸化に当てはまることを確認する試験が行われました。

厚さ2mmのエチレン－プロピレンゴムに対し空気中で照射した後、アルコール性水酸化カリウム溶液に浸し酸化部分にカリウムを付加させ、カリウム濃度をX線マイクロアナライザーでカウントし、酸化生成物の量より、酸化層の厚さを測定しました。詳細内容は参考文献を参照下さい。
実験結果より以下のことがわかります。

• 低線量率300Gy/hで照射すると、酸化層が厚く、線量率が高くなると、酸化層は薄くなります。
  従って線量率が低いほど内部まで酸化されることがわかります。
• 同じ線量率であれば、線量を増やしても酸化層の厚さは増えず、酸化生成物の量が増えるのみです。
  従って線量を高めても酸化層の厚さは変らないことがわかります。

上記結果より定性的に次のように理解できます。
線量率が高いと短時間に沢山の反応活性種（ラジカル）が生じますが、それらは空気中の酸素と直ちに反応し、酸素は高分子の表面で消費し尽されてしまい、材料内部は無酸素状態で照射されます。
一方、線量率が低くなるに従い、材料表面での酸素の消費量が少なくなり、材料内部まで酸素が供給されて放射線酸化反応が起こるようになります。

照射臭

大気中で低密度ポリエチレンに電子線照射を行うと、図1の放射線酸化反応で示したように、酸化生成物であるケトン、カルボン酸といった臭いの閾値が低い生成物が生じます。これらが照射臭の原因物質と考えられます。
照射ポリエチレンの場合、カルボン酸生成量は照射雰囲気の酸素濃度にも影響されます。照射臭の対策として、不活性ガス雰囲気での照射、または、酸化防止剤であるブチルヒドロキシトルエン（BHT）の添加が有効であることが見いだされています。

まとめ

粉状や薄物材料の材料劣化、異臭発生等の問題解決には放射線酸化を低減させることが重要と思われます。放射線酸化を低減させるためには不活性ガス雰囲気や真空中で照射することが有効となります。
しかし、工業利用の場合、不活性ガス雰囲気や真空中で照射することはコスト面からできるだけ避けたい場合が多いです。電子線照射は、高線量率での照射が可能ですので、放射線酸化の影響を小さくするには有効な手段となります。

(寺澤記)

参考文献

1） 貴家恒男：放射線と産業　No.105　P51~P55「高分子材料の放射線劣化と改質　劣化と捉えるか改質と捉えるか　1．放射線酸化反応」（2005年）