放射線治療 2-3 X線はなぜ物質を通ると減っていくの？
「減ったX線」は、全部吸収されたわけではない
X線を物質へ入射すると、透過してくる一次X線の数は少なくなります。これを減弱（attenuation）と呼びます。
ここで大切なのは、減弱＝吸収だけではないということです。
一次ビームから見れば、光電効果で吸収された光子だけでなく、コンプトン散乱などで進行方向から外れた光子も「一次ビームから失われた」ことになります。
減弱と「線量が減る」は同じ意味ではない
図では、物質へ入ったX線の一部が吸収され、一部が散乱して、まっすぐ進むX線が少なくなる様子を示しています。ここで数えているのは、主に最初の方向を保って進む一次光子です。
たとえばコンプトン散乱が起こった光子は、エネルギーを一部失って別方向へ進みます。一次ビームから見れば「失われた」ことになりますが、その散乱光子が別の場所でさらに相互作用することもあります。そのため、一次光子の減弱だけを見ても患者内の吸収線量をそのまま表すことはできません。
この区別が分かると、「X線は深さとともに減弱するのに、なぜ表面から少し深いところでは線量が増えるのか」という一見矛盾した現象も説明できるようになります。
理想的な条件では指数関数で表せる
単一エネルギーの細いX線ビームが、均一な物質を通る理想条件では、
と表せます。
I0は入射前の強度、I(x)は厚さxを通過した後の強度、μは線減弱係数です。厚さが同じだけ増えるたびに、同じ「量」ではなく同じ「割合」で減っていくのが指数減弱です。
たとえばμ＝0.1 cm⁻¹なら、10 cm通過後は exp(-1) ≒ 0.368なので、一次ビームは入射時の約37%になります。
ただし、これは狭い単色ビームという理想化です。治療用X線は連続スペクトルを持ち、患者内では散乱線も存在するため、患者線量をこの式だけで計算することはできません。
線減弱係数と質量減弱係数
線減弱係数μは長さあたりの減弱を表すので、単位はcm⁻¹などです。
一方、μを密度ρで割った質量減弱係数 μ/ρは、密度の影響を分けて物質やエネルギーごとの相互作用特性を比較するときに使います。
質量減弱係数は、物質の組成と光子エネルギーによって変化します。元素だけでなく、化合物や混合物についても組成に応じた値を扱います。
半価層と1/10価層
指数減弱が成り立つ条件では、強度が半分になる厚さを半価層（HVL）と呼び、
です。
10分の1になる厚さは、1/10価層（TVL）で、
となります。
HVLは特に診断用X線などの線質表現でよく登場します。ただし、実際の診断用X線は多エネルギー成分を含むため、ビーム硬化が起こり、単一の線減弱係数μだけで全減弱過程を厳密には表せません。実際には測定したHVLを線質評価に用います。一方、MV治療用X線ではTPR20,10など別の線質指標を用います。
減弱と線量低下を同じにしない
「深くなるほどX線が減弱する」なら、「深くなるほど線量も最初からずっと減る」と思いたくなります。
ところがMV X線では、表面からしばらくの範囲で線量が増加し、ある深さで最大になります。これがビルドアップ（build-up）です。
つまり患者内の線量は、一次光子の減弱だけではなく、散乱光子、二次電子の生成、電子の飛程、荷電粒子平衡などが重なって決まります。
減弱は「一次ビームから光子が失われること」。吸収だけでなく散乱による離脱も含みます。指数減弱式は重要ですが、患者内の線量をそのまま表す式ではありません。
次は、二次電子の動きを見る
X線からエネルギーを受け取った電子は、その場で止まるわけではありません。次章では、電子が物質中を進みながら、どのようにエネルギーを失っていくかを見ます。
