大型放射光施設 SPring-8

公開日

2017年01月30日

2017年1月30日
東北大学多元物質科学研究所
京都大学大学院理学研究科
産業技術総合研究所
理化学研究所

【詳細な説明】
１．背景
　物質にX線を照射すると、X線のエネルギーよりも一桁以上低いエネルギーを持つ電子が飛び出してきます。このような現象は様々な場面で利用されていますが、その機構の詳細は解明されていません。最近、X線照射により生成される安定な2価イオンが周囲の原子から低エネルギー電子を放出させる機構が理論的に予測されました。本研究では、この機構を実証するための実験を、ネオン（Ne）原子とクリプトン（Kr）原子の混合クラスター^＊をモデル系として行いました。実験には波長のそろった強度の強いX線が必要であるため、大型放射光施設SPring-8から得られるX線を用いました。

２．研究の手法と成果
　全ての物質を構成する原子は、種類によって吸収しやすいX線の波長が異なります。本研究では、SPring-8のビームラインBL17SUにおいて、ネオン原子が吸収しやすい領域にX線の波長を合わせ、ネオン原子とクリプトン原子の混合クラスターに照射して（図参照）、クラスター中に2価ネオンイオンを生成しました。生成した2価ネオンイオンは安定で、周囲に何もなければ（孤立していれば）2価イオンのままでいます。しかし、今回試料としたクラスター内のように、2価ネオンイオンの周囲にクリプトン原子が複数存在すると、クリプトン原子から電子を1個奪って1価クリプトンイオンとし、自らは1価ネオンイオンとなり、さらに別のクリプトン原子から電子を突き飛ばして1価クリプトンイオンをもう１個生成することが理論的に予測されています（図右上参照）。この第二のクリプトン原子から放出される電子のエネルギーは、非常に低くなることが予測されています。結果として、1価ネオンイオンが1個、1価クリプトンイオンが2個、低エネルギー電子が1個生成します。
　本研究では、このようにして生成した合計3個のイオンと電子の運動量を同時に計測しました。得られた電子の運動エネルギー分布の中に、ネオン原子やクリプトン原子それぞれ単独の場合には観測されない低エネルギーの電子を検出することで、理論的に予測された新機構を実証しました。

３．今後の展望
　本研究で実証した過程では、異なる原子が含まれる集団の中の原子がX線を吸収すると、ほぼ100%の確率で低エネルギーの電子が飛び出してきます。低エネルギーの電子はデオキシリボ核酸（DNA）の鎖を切断し、細胞の死滅に繋がります。従って、このようなX線照射による低エネルギー電子生成過程を一つずつ解明していくことが、放射線損傷を制御し、放射線治療を効果的かつ正確に行うためにも重要な役割を果たしていくと期待されます。

用語解説
※ クラスター
＊ 原子･分子が複数個集まって生成した集団のこと。不活性な原子でも、原子間に働く弱い引力（ファンデルワールス力）により数個から数万個を超えるサイズのクラスターを生成することができ、気相でも固相でもないその中間にある状態として注目されている。