電子線照射の効果を表す数値 G値
投稿日：2021年11月30日最終更新日：2021年11月29日
G値とは、電子線などからエネルギーを100eV吸収した時に発生する化学反応生成物の数であり、電子線照射を検討するときには参考になる数値です。このG値について概要とその応用例について解説します。
G値とは
次に化学反応生成物とは、電子線照射においては、「架橋」、「切断（崩壊）」、そして「ガス生成」の３つを指すことがほとんどで、それぞれのＧ値が測定されています。「ガス生成」のG値はわかりやすく、電子線照射により生成したガス分子の全数をG値として算出しているのが一般的です。「架橋」と「切断」のG値はそれぞれ架橋点、切断点の数を算出しております。架橋点、切断点について図解しました。図1を参照ください。
Ｇ値の測定方法と代表的なG値の紹介
Ｇ値は実際に電子線やガンマ線などの放射線を照射して、その結果から算出されます。照射は真空中または不活性ガス中で、室温など特定の温度のもとで実施されることが一般的です。従いまして、大気中で照射する場合とは異なることを考慮ください。
「ガス生成」のＧ値は、サンプルをガラス管などに入れて真空にしたものに、所定の線量を照射して発生したガス量を、圧力などを測定することで算出しています1）。「架橋」や「切断」のG値は、サンプルに所定線量を照射した後、サンプルのゲル分率およびゾル分率を測定することで算出する方法2)が多いですが、ゴムについてはサンプルの化学応力緩和速度を測定することで算出している例もあります3）。
代表的な高分子のＧ値を表1に示します。測定条件などの差異より同じ高分子でもＧ値がある程度の幅をもっていることがあります。この値からその高分子が放射線に対してどの程度の反応性をもつのか、架橋、切断のどちらが優位なのか、そしてどの程度ガスが生成されるのかといった情報を数値で確認することができます。また同じ高分子でも照射する温度によってＧ値が変化しており、照射時の温度が電子線照射の効果に影響を与えることがわかります。
Ｇ値の活用 －ガス発生量の予測－
電子線照射によるガス生成は、高分子への照射において避けることはできません。チューブ状の高分子に電子線照射して、チューブ内部に生成したガスにより加圧、チューブが破損する例もあります。また表1記載のポリ塩化ビニルの生成ガスである塩化水素のように、取り扱いを考慮しなければならないガスが生成する場合もあります。そのような懸念があるとき、どの程度の量が生成するのか予測するためにG値を活用します。
今回はポリエチレン（PE）シートを一定の速度で搬送して電子線照射をした際に、時間当たりに生成するガス量を算出してみます。
幅1m、厚さ0.1mmのPEシートを20m/minの搬送速度で連続的に線量10kGyの電子線照射をした場合、表1にある通りPEのガス生成のＧ値は2.1であることから、10kGyで生成するガス分子の個数は(式1)となります。
2.1×6.24×1019(eV/g)／100(eV)＝1.31×1018(個/g) (式1)
(式1)を物質量(mol)に変換し、さらにガスを標準状態の理想気体と仮定すると、生成するガスの容量は(式2)となります。
1.31×1018(個/g)／6.02×1023(個/mol)＝2.18×10-6(mol/g)
2.18×10-6(mol/g)×22400(ml/mol)＝0.0487(ml/g) (式2)
幅1m、厚さ0.1mmのPEシートを20m/min(2000cm/min)で搬送した場合、1時間当たり電子線照射されるPEの重量は、PEの密度を0.92g/cm3とすると(式3)となります。
100(cm)×2000(cm/min)×60(min)×0.01(cm)×0.92(g/cm3)＝1.1×105(g) (式3)
(式2)と(式3)より、PEシートから生成されるガスの1時間当たりの生成量は、
0.0487(ml/g)×1.1×105＝5357(ml)≒5.4L
と算出されます。
さいごに
このようにG値は、電子線照射試験を実施する前に、高分子に対する電子線照射の効果を検討する手段となります。ただし、上述したようにＧ値は特定の条件のもとで求められていること、また電子線照射の効果が線量とほぼ比例関係である範囲内で求められていることを考慮に入れなければなりません。例えば、高い線量を照射して電子線照射の効果が頭打ちになるような場合は、この予測から大きく外れることになります。これらのことに注意しながら、G値を有効に活用してください。
（奥村記）
参考文献
１）春山、瀬口 他：「ポリエチレンの放射線分解ガス生成と線量計への応用」、JAERI-Tech 2002-084(2002)
２）佐伯、瀬古：「高分子への放射線照射効果」、RADIOISOTOPES, Vol.66 No.10, pp.469-477(2017)
３）伊藤：「化学応力緩和によるゴムの架橋と切断のG値の算出方法」、日本ゴム協会誌、第62巻 第2号(1989)
４）山岡：「高分子の照射効果」RIS-3348(1974)
５）Y. Tabata, S. Tagawa, et al. “CRC Handbook of Radiation Chemistry”(1991)
６）K. Kaji, I. Sakurada, et al. JAERI 5027, 50(1971)