1. 定義と原理
シンチレータは、X線やガンマ線などの高エネルギー放射線を可視光線に近い光に変換することができる材料である。 医療診断、高エネルギー物理学、地球物理学的探査などで検出器として広く使われている（参考文献：Knoll）。 シンチレータには、気体、液体、固体、有機物、無機物（ガラス、単結晶、セラミックス）がある。 シンチレータを用いた検出器（図1）は、シンチレータ材料と、光電子増倍管（PMT）またはフォトダイオードと呼ばれる光検出器から構成されています。 光検出器の役割は、シンチレータの出射光を電気信号に変換することである。
光電子増倍管は最も一般的な光検出器で、図1に示すように光陰極とそれに続く一連の陽極で構成されている。 光電面には光子が当たり、光電子が放出される。 光電子は最初のダイノードに集束される。 増幅された信号はアノードで集められ、測定回路に送られる。 8991>
図1:シンチレーション物質と光電子増倍管からなるシンチレーション検出器の模式図
2 シンチレータのメカニズム
シンチレーションの物理現象は複雑で、大きく3つのプロセスに分けられる(図2)。 変換、エネルギー移動、発光である。 電磁波と物質との相互作用は、3つのメカニズムで起こります。 光電効果、コンプトン散乱、電子・陽電子ペアの生成である。 光電効果とコンプトン散乱は、それぞれ低エネルギー（100 keV以下）から中エネルギー（100 keVから1 MeVの間）において支配的なメカニズムであり、電子陽電子対生成は、低エネルギー（100 keVから1 MeVの間）において支配的なメカニズムである。 1.02MeV以上のエネルギーでは、放射線と物質との相互作用は電子・陽電子対の生成によって支配される。

図2: シンチレーションのメカニズム。 (Image by M. Nikl）
放射線がシンチレータ材料に吸収されると、一次電子-正孔対が生成され、カスケード効果により二次電子対が生成される。 電子励起のエネルギーが電離閾値以下になると熱化が起こる。 この段階では、すべての電子が伝導帯の底に、正孔が価電子帯の上部に位置している。 この最初のステップはピコ秒未満で終了する。
熱化ステージの後、自由電子正孔対は材料中を移動し、発光中心へエネルギーを伝達するようになる。 このエネルギー移動は非常に速く、10-12秒から10-8秒で行われる。 エネルギー移動が終わると、シンチレーションの最終段階である発光が起こります。 発光時間は発光中心によって異なり、10-10秒以上かかることもあります。
放出される光子のエネルギーは、放射性同位元素を区別するための重要なパラメータとなります。 実際、放出される光子のエネルギーは、入射する放射線のエネルギーと関係がある。 この関係がどのようなものかによって、放射性物質を特定することができます。 シンチレータ材料の場合、入射した放射線はすべて媒体に吸収されるため、光電効果が優先される。 コンプトン効果では、エネルギーが低い光子が発生するため、誤差が生じます。 光電効果の発生確率を高めるためには、原子番号Zが高く、光電率が高い材料が好ましい。 光電率は、入射した光子のうち光電効果によって物質と相互作用する割合です。
3.シンチレータの特性
– 光収率（photons/MeV）: 吸収エネルギーあたりの放出フォトン数。
– エネルギー分解能(%): エネルギー分解能（%）：わずかに異なるエネルギーの2つの放射線を識別する材料の能力。
– 減衰時間（s）:
– 残光(Afterglow): tauによって特徴づけられる光応答I(t)の動力学。 主発光中心の一次減衰時間後に発生する残留光出力。
– ストッピングパワー(Stopping power)。 吸収された放射線の減衰係数で、材料の厚さが与えられた場合。
4.シンチレータの作製。
これまで、無機シンチレータは単結晶の形をしています。 これらは通常、Czochralski法やBridgman-Stockbarger法などの融液からの成長技術によって製造される。

図3 & 4. Czochralski装置（左）とBridgman-Stockbarger炉（右）
Czochralski装置は図3の通りである。 垂直のアームの底に種結晶を取り付け、種結晶が融液の表面の物質とほとんど接触しないようにする。 アームをゆっくり上げると、結晶と融液の界面で結晶が下に成長する。 通常、結晶はゆっくりと回転させるので、液体中の不均一性が結晶に再現されることはない。 結晶を引き上げる際の重量を測定し、コンピュータ制御の装置で引き上げ速度を変えることで、任意の直径の結晶を作ることができる。 種子を取り出すと材料は固化し、最終的には大きな円形のブールが作られる。 Czochralski法は、通常、高融点の材料に使用される。
ブリッジマン-ストックバーガー装置を図4に示す。 この方法は、下端が円錐形の円筒形の密閉されたアンプルの中で多結晶体を加熱するものである。 ヒーターは溶融状態を維持する。 アンプルをゆっくりと低温領域（青色領域）に下げていくと、円錐形の先端で結晶が成長し始める。 結晶の成長に合わせた速度でアンプルを下げることで、結晶と融液の界面が常に同じ温度となる。 アンプルの移動速度は、温度と材料によって異なる。 うまくいくと、アンプル内の溶融物質全体が1つの大きな結晶に成長する。 この表面が融液の上に移動するにつれて、融液と固体の界面に不純物の層が成長し、不純物は結晶の高い部分に集中するようになる。 この方法はヨウ化ストロンチウムのように融点が低く、空気に敏感な物質に適している。
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