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Radioluminescence (or scintillation[1][2]) is the phenomenon by which light is produced in a material by bombardment with ionizing radiation such as alpha particles, beta particles, or gamma rays. Radioluminescence is used as a low level light source for night illumination of instruments or signage. Radioluminescent paint is occasionally used for clock hands and instrument dials, enabling them to be read in the dark. Radioluminescence is also sometimes seen around high-power radiation sources, such as nuclear reactors and radioisotopes.
Radioluminescence occurs when an incoming particle of ionizing radiation collides with an atom or molecule, exciting an orbital electron to a higher energy level. The particle usually comes from the radioactive decay of an atom of a radioisotope, an isotope of an element which is radioactive. The electron then returns to its ground energy level by emitting the extra energy as a photon of light. A chemical that releases light of a particular color when struck by ionizing radiation is called a phosphor. Radioluminescent light sources usually consist of a radioactive substance mixed with, or in proximity to, a phosphor.
Since radioactivity was discovered around the beginning of the 20th century, the main application of radioluminescence has been in radioluminescent paint, used on watch and compass dials, gunsights, aircraft flight instrument faces, and other instruments, allowing them to be seen in darkness. Radioluminescent paint consists of a mixture of a chemical containing a radioisotope with a radioluminescent chemical (phosphor). The continuous radioactive decay of the isotope's atoms releases radiation particles which strike the molecules of the phosphor, causing them to emit light. The constant bombardment by radioactive particles causes the chemical breakdown of many types of phosphor, so radioluminescent paints lose some of their luminosity during their working life.
放射線発光材料は、光電式核電池（核エネルギーを光に変換する放射性同位体発生器の一種）の製造にも使用されることがある。空気中の窒素の放射線発光は、核汚染現場でアルファ線を検出するために使用できる。[ 3 ]
放射線発光の最初の用途は、天然の放射性同位体であるラジウムを含む発光塗料でした。1908年から、ラジウムと銅をドープした硫化亜鉛の混合物を含む発光塗料が時計の文字盤や計器のダイヤルに使用され、緑がかった光を発しました。銅をドープした硫化亜鉛（ZnS:Cu）を含む蛍光体は青緑色の光を発し、銅とマンガンをドープした硫化亜鉛（ZnS:Cu,Mn）は黄橙色の光を発し、これらも使用されています。ラジウムベースの発光塗料は、ダイヤルを製造する人に放射線の危険性があるため、もはや使用されていません。これらの蛍光体は、25 mg/cm 2を超える厚さの層での使用には適していません。それ以上の厚さでは、光の自己吸収が問題となるためです。硫化亜鉛は結晶格子構造の劣化を起こし、ラジウムの枯渇よりもはるかに速く徐々に明るさを失います。
アーネスト・ラザフォードは、原子核を発見する実験において、ZnS:Agコーティングされたスピンタリスコープのスクリーンを使用した。
ラジウムは、健康上の懸念から、1960年代に上記の他の放射性同位体に置き換えられるまで、夜光塗料に使用されていました。[ 4 ]ラジウムは、アルファ粒子とベータ粒子 に加えて、時計の文字盤の金属やガラス、皮膚を透過するガンマ線を放出します。典型的な古いラジウム腕時計の文字盤の放射能は3～10 kBqで、継続的に着用すると、着用者は年間24ミリシーベルトの線量に被曝する可能性があります。[ 4 ] もう一つの健康被害は、その崩壊生成物である放射性ガスのラドンで、吸入すると極めて低い濃度でも重大なリスクとなります。ラジウムの半減期は1600年と長いため、時計の文字盤や針など、ラジウム塗料でコーティングされた表面は、耐用年数が過ぎた後も長期間にわたって健康被害をもたらします。一般の人々が所有する夜光ラジウム時計、腕時計、コンパスの文字盤、航空機計器の文字盤は、今でも何百万個も存在します。1920年代初頭、時計工場でラジウム塗料を使って時計の文字盤を塗装していた「ラジウム・ガールズ」の事例は、筆先を唇で指し示すことでラジウムを摂取し、後に致命的な癌を発症した女性たちのケースであり、放射性発光物質の危険性、ひいては放射能全般の危険性に対する人々の認識を高めるきっかけとなった。
20世紀後半、ラジウムは徐々にプロメチウム147を含む塗料に置き換えられていった。プロメチウムは低エネルギーのベータ線放出体であり、ラジウムのようなアルファ線放出体とは異なり、蛍光体の格子を劣化させないため、塗料の輝度はそれほど急速に低下しない。また、ラジウムのように透過性の高いガンマ線も放出しない。プロメチウム147の半減期はわずか2.62年であるため、10年でプロメチウム文字盤の放射能は元の値の1/16にまで低下し、半減期が1600年のラジウムに比べて廃棄がより安全になる。この短い半減期は、プロメチウム文字盤の輝度も2.62年ごとに半分に低下することを意味し、耐用年数が短かったため、プロメチウムはトリチウムに置き換えられることになった。
プロメチウムをベースとした塗料は、アポロ月着陸船の電気スイッチの先端を照らすために使用され、月面探査車の制御パネルにも塗布された。[ 5 ]
最新世代の放射線発光材料は、半減期が12.32年の水素の放射性同位体であるトリチウムをベースとしており、非常に低エネルギーのベータ線を放出します。腕時計の文字盤、銃の照準器、非常口標識などに使用されています。トリチウムガスは、内側に 蛍光体でコーティングされた小さなガラス管に封入されています。トリチウムから放出されたベータ粒子が蛍光体コーティングに衝突すると、蛍光が発せられ、通常は黄緑色の光を放出します。
トリチウムは、以前の放射性発光源であるラジウムとは異なり、人体への脅威がごくわずかであると考えられているため使用されています。ラジウムは重大な放射線被ばくの危険性があることが判明しています。 トリチウムから放出される低エネルギーの5.7 keVベータ粒子は、ガラス管を透過できません。仮に透過できたとしても、人体の皮膚を貫通することはできません。トリチウムは、摂取または吸入した場合にのみ健康被害をもたらします。トリチウムは気体であるため、トリチウム管が破損した場合、気体は空気中に拡散し、安全な濃度まで希釈されます。トリチウムの半減期は12.32年であるため、トリチウム光源の明るさは、この期間内に初期値の半分まで低下します。
赤外線放射蛍光法（時として放射蛍光法と綴られる）は、電離放射線への曝露による正長石の赤外線（約880 nm）発光信号を利用した年代測定法である。[ 6 ]この方法は、堆積物が最後に日光にさらされた時期、例えば堆積前に光にさらされた砂の層などを明らかにすることができる。[ 7 ] [ 8 ]