後方散乱

後方散乱 (Backscatter, Backscattering)

後方散乱とは、進行する波や粒子が散乱（拡散反射）によって、元の進行方向へ戻る現象を指します。この現象は、天文学、写真撮影、超音波検査など、多岐にわたる分野で重要な役割を果たしています。

後方散乱の物理

後方散乱は、入射した波や粒子が元の方向から逸れるあらゆる物理的状況で発生します。どのようなメカニズムで偏向するかは問われません。

大粒子による拡散反射とミー散乱：山頂光や対日照の発生、気象レーダーへの応用
電磁波と伝達媒体との非弾性衝突（ブリルアン散乱、ラマン散乱）：ファイバー光学における応用
イオンと試料との弾性散乱（ラザフォード後方散乱）
結晶からのブラッグ回折：非弾性散乱実験（中性子後方散乱、X線後方散乱分光）での利用
コンプトン散乱：後方散乱X線画像法への応用

散乱が等方的な場合、つまり散乱方向の分布に偏りがなくランダムに散乱される場合、「後方散乱」という言葉は、検知器が後方に配置されていることを示す意味合いが強くなります。

X線画像においては、後方散乱画像は透過画像の反転として現れます。非弾性中性子散乱や非弾性X線散乱では、エネルギー分解能を最適化するために後方散乱配置が採用されます。

天文学においては、後方散乱光は位相角が90度よりも小さい反射光を指します。

後方散乱の強度が増す要因としては、以下のようなものが挙げられます。

山頂光：レイリー散乱により青色スペクトルが抑制され、赤色の光が強調されるため。
対日照：干渉によって光が強め合うため（要検証）。
コヒーレント後方散乱：ランダム媒体（牛乳のような懸濁液など）で見られる現象。弱い局在化によって増幅された多重散乱が後方で観測されます。

レーダー装置では後方散乱配置（BSA）座標系、光学装置では前方散乱配置（FSA）座標系がよく用いられます。

標的の後方散乱特性は、波長と偏光に依存します。そのため、複数の波長と偏光を用いるセンサーシステムは、標的のさらなる特性を明らかにすることができます。

レーダー（特に気象レーダー）への応用

後方散乱は、レーダーシステムの基本原理として利用されています。

気象レーダーでは、標的の直径よりも波長が長い場合、後方散乱は標的の直径と標的特有の反射特性を掛け合わせたものの6乗に比例します（レイリー散乱）。水は氷よりも反射率が約4倍高いものの、水滴は雪片や雹よりも非常に小さいため、後方散乱はこれらの両方の要素に影響を受けます。

最も強い後方散乱は、雹や大きな霰（固体の氷）から返ってきます。ただし、非レイリー散乱（ミー散乱）も影響します。また、サイズが大きく、水によって反射率も高くなった溶けかけの雪や濡れた霙も強い散乱源となります。これらの存在する空域は、実際の降水量よりも高い降水量があるように見えるため、「ブライトバンド」と呼ばれます。雨は穏やかに後方散乱を起こし、その強さは雨滴が大きくなるほど強くなり、小さくなるほど弱くなります。雪の後方散乱は比較的弱いとされています。

水平方向と鉛直方向の偏波の後方散乱を計測する二重偏波気象レーダーにより、二つの信号の比から形状に関する情報を得ることができます。

導波管における応用

ファイバー光学においても、後方散乱法は光学欠陥の検出に利用されています。光ファイバーケーブルを通って伝播する光は、レイリー散乱によって徐々に減衰していきます。レイリー後方散乱された光の変化を監視することで、欠陥を検知できます。後方散乱された光は、光ファイバーケーブルを通るにつれて指数関数的に減衰するため、減衰特性は対数スケールのグラフで表現されます。グラフの傾きが急な場合はパワー損失が大きく、傾きが緩やかな場合は光ファイバーが良好な損失特性を持っていることを示します。

後方散乱法による損失計測は、光ファイバーケーブルを切断することなく片側から行えるため、光ファイバーの構築と維持管理において非常に便利です。

写真における後方散乱

写真における後方散乱とは、フラッシュやストロボの光がレンズの視野角内の粒子によって反射され、写真上に光の斑点として現れる現象を指します。これは「オーブ」と呼ばれることもあります。この現象は、雪、雨、塵などによって引き起こされます。

現代のコンパクトカメラやウルトラコンパクトカメラでは、レンズと内蔵フラッシュとの距離が狭まっているため、通常は見えない粒子の反射が写り込みやすくなっています。そのため、小型のデジタルカメラやフィルムカメラではオーブが頻発します。

関連項目

前方散乱
散乱
* 後方散乱X線検査装置（空港のセキュリティスキャンなどで使用）

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