シンチレータ

シンチレータ(: scintillator)は、蛍光(シンチレーション、放射線に励起されることにより発光する特性[1])を示す物質の総称である。発光物質は入射粒子が衝突すると、そのエネルギーを吸収し発光する(すなわち、吸収したエネルギーを光の形で再放出する)[2][注釈 1]励起状態が準安定なために、励起状態から低いエネルギー状態へ戻るのが遅れる場合があるが(必要な時間は物質によって、数ナノ秒から数時間と様々である)、このときの過程は、遷移の種類とそれに従う光子の波長によって、遅延蛍光または燐光蓄光とも呼ばれる)のふたつの現象のうちどちらかひとつに相当する。

様々なシンチレーション検出器に囲まれたシンチレーション結晶

歴史

シンチレータを用いた最初の装置は、1903年 ウィリアム・クルックスがZnS(硫化亜鉛)スクリーンを使って作成したものである[3][4]。この装置はスピンサリスコープと呼ばれ、使用方法はスクリーンに生じるシンチレーションを暗室において顕微鏡を用いて目視観測するというものであった。この技術は数々の重要な発見をもたらしたが、観測には大変な労力を必要とした。1944年、CurranとBakerが目視による測定を新たに開発されたPMTで置き換えたことで、シンチレータはさらに注目されるようになった。これが現代的なシンチレーション検出器の嚆矢である[3]

発光原理

放射線のエネルギーを蛍光体が吸収して、蛍光体の内部で励起あるいは電離が起こる。この吸収したエネルギーの一部が可視光紫外線として発せられる[2]

シンチレータの特性

目的や用途によって使い分けられ、材質には有機物プラスチック)、無機結晶液体があり放射線検出器やポジトロン断層法装置など放射線利用機器に用いられる。

理想的なシンチレータ材料とは、次のように考えられている。

  1. 荷電粒子の運動エネルギーを高効率で検出可能な光エネルギー(シンチレーション光)に変換する。
  2. 入射エネルギーと変換されたエネルギーが直線的な正の相関を持つ。
  3. シンチレーション光の減衰時間が短く、高速の信号パルスを発生する。
  4. 発生した光を吸収や散乱しない。
  5. 結晶の場合はガラス(SiO2)の様な光学的性を持ち、加工が容易。

シンチレータの種類

有機結晶

有機シンチレータは様々な方法で連結されたベンゼン環構造を含む芳香族炭化水素化合物である。典型的な有機シンチレータの発光は数ナノ秒以内に減衰する[5]

いくつかの有機シンチレータは純粋な結晶である。代表的なものはアントラセン[6]C14H10、減衰時間約30 ns)、スチルベン[6]C14H12、4.5 nsの減衰時間)、ナフタレンC10H8、数nsの減衰時間)である。これらは耐久性は優れているが、応答が異方的で(これにより線源がコリメートされてない場合、エネルギー分解能が損なわれてしまう)、加工が容易ではなくサイズを大きくすることができないため、あまり頻繁には用いられない。アントラセンは全ての有機シンチレータの中で最も発光量が大きく、そのためその他のシンチレータの発光量をアントラセンの発光量に対するパーセンテージで表すことがある[7]

有機液体

固体構造で無い為、強い放射線照射でも損傷を受けにくい[8]

プラスチック

プラスチックの中に数種類の有機発光物質を溶かしたもので、取扱が容易で加工性がよい。しかし、電荷(Z)が低くアルファ線ベータ線には向くが、ガンマ線には適さない場合がある。

無機結晶

CsI(Tl)結晶

結晶または単結晶体を作成し利用する。以下に主な物を列挙する[2]

  • GSO - ケイ酸ガドリニウム (Ce添加Gd2SiO5) X線天文衛星「すざく(ASTRO-E2)の硬X線検出器(HXD)に使用。
  • ヨウ化セシウム - 括弧内の物質を微量添加物とし特性の向上を図る。
    • CsI : 純ヨウ化セシウム
    • CsI (Tl) : タリウム活性化ヨウ化セシウム
    • CsI (Na) : ナトリウム活性化ヨウ化セシウム
  • ゲルマニウム酸ビスマス(ビスマスジャーマネイト)BGO - (Bi4Ge3O12
  • ケイ酸ルテチウム LGO - (Ce添加Lu2SiO5 )
  • タリウム活性化ヨウ化ナトリウム - NaI(Tl)
  • フッ化セリウム - CeF3
  • タングステン酸鉛 - PbWO4
  • フッ化バリウム - BaF2
  • フッ化鉛 - PbF2
  • LiI(Eu) - ユーロピウム活性化ヨウ化リチウム
  • LYSO - Lu2(1-x)Y2xSiO5: Ce 放射性Luが含まれる為、環境放射線(バックグラウンド)程度の弱い放射線は測定できない。
  • LGSO (Lu,Gd)2SiO5[9]
  • コランダム - Al2O3ルビー[10]

結晶によっては、潮解性を有しているため取扱に様々な制約が生じる。

気体

キセノンは、ダークマター観測のための実験装置「XMASS」で使用。

脚注

  1. この記事では、「粒子」は「放射線」の意味で使用され、電子や荷電重粒子のような荷電粒子放射線または光子中性子のような非荷電放射線のどちらを指す場合もあり、電離を引き起こすのに十分なエネルギーを持っているものとする。

参考文献

  1. Leo 1994, p. 158.
  2. 戸田裕之. X線CT―産業・理工学でのトモグラフィー実践活用. 共立出版. ISBN 978-4-320-08222-9
  3. Leo 1994, p. 157.
  4. Dyer 2001, p. 920.
  5. Leo 1994, p. 159.
  6. Leo 1994, p. 161.
  7. Leo 1994, p. 167.
  8. 野口勉、有機液体シンチレータの発光機構 応用物理 Vol.42 (1973) No.6 P.635-640
  9. 山本誠一、LGSOシンチレータの性能評価 RADIOISOTOPES Vol.47 (1998) No.9 P.673-677
  10. ルビーシンチレータの発光特性II (PDF)

出典

関連項目

外部リンク

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