シンチレーション（物理学）

凝縮系物理学では、シンチレーション（ / ˈsɪntɪleɪʃən /シンチレーション）は、放射線発光とも呼ばれ[ ^{1 ] [ 2 ]} 、シンチレーターと呼ばれる物質が、高エネルギー光子（X線やガンマ線）や高エネルギー粒子（電子、アルファ粒子、中性子、イオンなど）の励起によって紫外線や可視光^を放出する物理過程である^{[ 3 ] [ 4 ]}。

シンチレーションは発光の一例であり、放射線の吸収後に特徴的なスペクトルの光が放出される現象です。シンチレーション過程は、変換、発光中心への輸送とエネルギー伝達、発光という3つの主要な段階にまとめられます。^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}放出される放射線は通常、吸収される放射線よりもエネルギーが低いため、シンチレーションは一般的にダウンコンバージョン過程です。

シンチレーションの最初の段階である変換は、入射放射線からのエネルギーがシンチレーターに吸収され、材料中に高エネルギーの電子と正孔が生成されるプロセスです。シンチレーターによるエネルギー吸収メカニズムは、関与する放射線の種類とエネルギーに依存します。X線（0.1 keV <${\displaystyle E_{\gamma }}$（< 100 keV）およびγ線（${\displaystyle E_{\gamma }}$> 100 keV)、シンチレーションにおけるエネルギー変換プロセスには、光電吸収^{[ 6 ]} 、コンプトン散乱^{[ 7 ]}、および対生成[ ^{8 ]の3種類の相互作用が関与しており、}これは、${\displaystyle E_{\gamma }}$1022 keV以上、つまり光子は電子と陽電子のペアを生成するのに十分なエネルギーを持っている。

これらの過程はそれぞれ異なる減衰係数を持ち、それは主に入射放射線のエネルギー、物質の平均原子番号、および物質の密度に依存します。一般的に、高エネルギー放射線の吸収は次のように表されます。

${\displaystyle I=I_{0}\cdot e^{-\mu d}}$

どこ${\displaystyle I_{0}}$は入射放射線の強度であり、${\displaystyle d}$は材料の厚さであり、${\displaystyle \mu }$は線形減衰係数であり、これは様々な寄与の減衰係数の合計です。

${\displaystyle \mu =\mu _{pe}+\mu _{cs}+\mu _{pp}+\mu _{oc}}$

より低いX線エネルギーでは（${\displaystyle E_{\gamma }\lesssim }$60 keV）の場合、最も支配的なプロセスは光電効果であり、光子は物質中の束縛電子（通常は原子のK 殻または L 殻のコア電子）によって完全に吸収され、その後放出され、ホスト原子のイオン化につながります。光電効果の線形減衰係数の寄与は次のように与えられます。^{[ 6 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{pe}\propto {\rho Z^{n} \over E_{\gamma }^{3.5}}}$

どこ${\displaystyle \rho }$はシンチレーターの密度です。${\displaystyle Z}$は平均原子番号です。${\displaystyle n}$は3から4の間で変化する定数であり、${\displaystyle E_{\gamma }}$は光子のエネルギーです。X線エネルギーが低い場合、入射放射線をより効率的に吸収するため、原子番号と密度が高い原子を含むシンチレーター材料が好まれます。

より高いエネルギーでは（${\displaystyle E_{\gamma }}$${\displaystyle \gtrsim }$60 keV）コンプトン散乱、すなわち束縛電子による光子の非弾性散乱は、しばしばホスト原子の電離も引き起こし、より支配的な変換プロセスとなる。コンプトン散乱の線形減衰係数の寄与は次のように与えられる。^{[ 7 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{cs}\propto {\rho \over {\sqrt {E_{\gamma }}}}}$

光電効果とは異なり、コンプトン散乱による吸収は、結晶中に存在する原子の原子番号には依存せず、原子密度に比例する。

γ線エネルギーが${\displaystyle E_{\gamma }}$> 1022 keV、つまり電子の静止質量エネルギーの2倍以上のエネルギーでは、対生成が始まります。対生成は、光子のエネルギーが電子-陽電子対に変換される相対論的現象です。生成された電子と陽電子は、さらにシンチレーション物質と相互作用して、高エネルギーの電子と正孔を生成します。対生成の減衰係数の寄与は次のように与えられます。^{[ 8 ] [ 9 ]}

${\displaystyle \mu _{pp}\propto \rho Z\ln {\Bigl (}{2E_{\gamma } \over m_{e}c^{2}}{\Bigr )}}$

どこ${\displaystyle m_{e}}$は電子の静止質量であり、${\displaystyle c}$は光速である。したがって、高エネルギーのγ線では、エネルギー吸収はシンチレータの密度と平均原子番号の両方に依存する。さらに、光電効果やコンプトン散乱とは異なり、入射光子のエネルギーが増加するにつれて電子対生成の確率が高くなり、電子対生成は以上のエネルギーで最も支配的な変換プロセスとなる。${\displaystyle E_{\gamma }}$約8 MeV。

の${\displaystyle \mu _{oc}}$この用語には、低エネルギーでのレイリー（コヒーレント）散乱や非常に高いエネルギーでの光核反応など、他の（小さな）寄与も含まれており、これらも変換に寄与しますが、レイリー散乱からの寄与はほとんど無視でき、光核反応は非常に高いエネルギーでのみ重要になります。

入射放射線のエネルギーが吸収され、材料中でいわゆるホット電子とホットホールに変換された後、これらの高エネルギー電荷キャリアはシンチレーター内の他の粒子や準粒子（電子、プラズモン、フォノン）と相互作用し、「雪崩現象」を引き起こします。この現象では、ホット電子とホットホールが十分なエネルギーを失うまで、多数の二次電子-正孔対が生成されます。

この過程によって生じる多数の高エネルギー電荷キャリアは、フォノンとの相互作用（電子の場合）およびオージェ過程（正孔の場合）を通じて熱化（すなわち、エネルギーの一部が散逸すること）を受ける。

エネルギー吸収と熱化を含む変換の平均時間スケールは、1 ps 程度と推定されており、^{[ 5 ] [ 10 ]}これはフォトルミネッセンスの平均減衰時間よりもはるかに速い。

シンチレーションの第2段階は、熱平衡状態にある電子と正孔が発光中心に向かって電荷輸送され、発光プロセスに関与する原子にエネルギーが伝達される段階です。この段階では、変換プロセス中に生成された多数の電子と正孔が材料内部を移動します。これは、トラップや非放射再結合などの影響により効率の損失が最も多く発生する段階であるため、シンチレーションにおいて最も重要な段階の1つと言えるでしょう。これらの損失は主に、不純物、イオン空孔、粒界など、シンチレーター結晶中の欠陥の存在によって引き起こされます。電荷輸送は、シンチレーションプロセスのタイミングのボトルネックにもなり得ます。電荷輸送段階は、シンチレーションの中で最も理解が進んでいない部分の一つでもあり、使用される材料の種類とその固有の電荷伝導特性に大きく依存します。

電子と正孔が発光中心に到達すると、シンチレーションの 3 番目で最後の段階である発光が起こります。この段階では、電子と正孔は発光中心によって捕捉され、その後、電子と正孔は放射的に再結合します。^{[ 11 ]}発光段階の正確な詳細は、シンチレーションに使用される材料の種類にも依存します。

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