シンチレータ

シンチレータとは

シンチレータとは、高エネルギーの放射線（γ線、X線、α線など）を吸収し、そのエネルギーを可視光や紫外線などの光に変換する蛍光体材料です。この光を検出することで、放射線の存在や量を測定することができます。この現象はシンチレーションと呼ばれ、放射線に励起されることによって発光する特性を指します。

シンチレータは、光電子増倍管などの光検出器と組み合わせて放射線検出器として利用され、医療分野ではX線CTやPET（陽電子断層撮影装置）、セキュリティ分野では空港の手荷物検査機、その他、資源探査、基礎科学（シンクロトロン放射光施設、宇宙線検出）など、幅広い分野で応用されています。

歴史

シンチレータを用いた最初の装置は、1903年にウィリアム・クルックスが硫化亜鉛（ZnS）スクリーンを用いて作成したスピンサリスコープです。この装置は、暗室で顕微鏡を使ってスクリーンに生じるシンチレーションを目視で観測するというもので、多くの重要な発見をもたらしましたが、観測には多大な労力を必要としました。

1944年、カランとベイカーによって、目視による測定が新たに開発された光電子増倍管（PMT）に置き換えられたことで、シンチレータはより注目されるようになりました。これが現代的なシンチレーション検出器の始まりとされています。

シンチレータに求められる特性

シンチレータには、以下のような特性が求められます。

大きな発光量: 微弱な放射線も検出できるように、発光量が大きいことが重要です。発光量が小さいと、ノイズと区別することが難しくなります。
短い発光寿命: 短時間で発光が減衰することで、連続して入射する放射線を区別できます。これにより、時間分解能の高い測定が可能となります。
高い放射線検出効率: 放射線との相互作用確率を高めるために、密度が高く、実効原子番号の大きな材料が用いられます。
低残光: 発光後の残光が少ないことで、次の信号を正確に検出できます。
化学的安定性: 潮解性がないなど、化学的に安定していることが重要です。これにより、長期間にわたる安定した動作が保証されます。
入射エネルギーとの直線的な相関: 入射した放射線のエネルギーと、変換された光のエネルギーが直線的な相関を持つことが求められます。
大結晶化の容易性: 大型の結晶を容易に作成できることが、大型の検出器を作る上で重要です。
成形加工性: 検出器の形状に合わせて加工しやすいことも、応用範囲を広げる上で重要です。

シンチレータの種類

シンチレータは、大きく分けて無機シンチレータ、有機シンチレータ、ガスシンチレータの3種類に分類されます。

無機シンチレータ

無機シンチレータは、発光量が大きく、エネルギー分解能に優れています。また、密度が高く、実効原子番号が大きいことから、放射線との相互作用確率が高いという特徴があります。

無機シンチレータでは、母材となる結晶に発光中心として希土類元素や遷移金属元素などを添加します。この発光中心が、放射線エネルギーを光に変換する役割を担います。

発光機構の例：

NaI:Tl（ヨウ化ナトリウムにタリウムを添加）を例に挙げると、放射線エネルギーを吸収した蛍光体内部では、価電子帯と伝導体にそれぞれ電子と正孔が生成されます。その後、電子や正孔が励起されながら発光中心であるタリウム（Tl）へエネルギー移動し、最終的にTlが励起されて発光します。

代表的な無機シンチレータ：

NaI:Tl: アルカリハライドであるヨウ化ナトリウム（NaI）にタリウムイオン（Tl+）を発光中心として添加したものです。発光量が大きく、多くのシンチレータの基準として用いられます。ただし、潮解性が高く、密封して使用する必要があります。
LSO:Ce (Lu2SiO5): ルテチウムのケイ酸塩（Lu2SiO5）にセリウムイオン（Ce3+）を添加したものです。NaI:Tlに比べて発光寿命が短く、PET装置に応用されています。
GSO: ケイ酸ガドリニウム（Gd2SiO5）にセリウムを添加したもので、X線天文衛星「すざく」の硬X線検出器に使用されています。
BGO: ゲルマニウム酸ビスマス（Bi4Ge3O12）です。
タングステン酸鉛: (PbWO4)です。

有機シンチレータ

有機シンチレータは、発光寿命が短い（数ナノ秒）ことが特徴で、有機結晶やプラスチックなどが用いられます。主に、ミューオン検出などに利用されています。

有機シンチレータは、構造中にベンゼン環を有しており、π電子のエネルギー準位間の遷移によって発光します。

種類：

有機結晶シンチレータ: アントラセン、トランススチルベン、ナフタレンなどが挙げられます。これらは耐久性に優れていますが、応答が異方的であり、加工が容易ではないため、あまり頻繁には用いられません。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いことで知られています。
液体シンチレータ: 有機溶媒に有機シンチレータを溶解させたものです。固体構造ではないため、強い放射線照射でも損傷を受けにくい特徴があります。
プラスチックシンチレータ: プラスチックの中に有機発光物質を溶かしたものです。取扱が容易で加工性が良い反面、実効原子番号が低いためガンマ線検出にはあまり向いていません。近年では、鉛を添加した高感度なプラスチックシンチレータも開発されています。

気体シンチレータ

高純度のキセノンやヘリウムなどが用いられます。キセノンは、ダークマター観測のための実験装置「XMASS」で使用されています。

まとめ

シンチレータは、放射線検出において不可欠な材料であり、その種類や特性に応じて様々な分野で利用されています。今後も、シンチレータの性能向上や新たな材料開発により、さらなる応用が期待されます。

もう一度検索