シンチレーションカウンター

シンチレーションカウンターは、シンチレーション物質への入射放射線の励起効果を利用し、結果として生じる光パルスを検出すること で電離放射線を検出および測定する機器です。

これは、入射放射線に反応して光子を生成するシンチレータ、光を電気信号に変換する高感度光検出器（通常は光電子増倍管（PMT）、電荷結合素子（CCD）カメラ、またはフォトダイオード）、およびこの信号を処理する電子機器で構成されています。

シンチレーションカウンターは、安価でありながら優れた量子効率で製造でき、入射放射線の強度とエネルギーの両方を測定できるため、放射線防護、放射性物質の分析、物理学の研究に広く使用されています。

最初の電子シンチレーションカウンタは、1944年にカリフォルニア大学バークレー校でマンハッタン計画に携わっていたサミュエル・カラン卿^{[1] [2]}によって発明されました。少量のウランからの放射線を測定する必要があり、彼の革新は、ラジオ・コーポレーション・オブ・アメリカが製造した新しく入手可能になった高感度光電子増倍管の1つを使用して、放射線にさらされたシンチレータからの光の閃光を正確にカウントすることでした。

これは、1896年にウラン塩のリン光に関する研究中に放射能を発見した アントワーヌ・アンリ・ベクレルなどの初期の研究者たちの研究に基づいています。以前は、シンチレーション現象は、シンチレーターの光の閃光を観察するためにスピンタリスコープ（簡単な顕微鏡）を使用して、肉眼で苦労して検出する必要がありました。最初の市販の液体シンチレーションカウンターは、ライル・E・パッカードによって製造され、1953年にシカゴ大学のアルゴンヌ癌研究病院に販売されました。量産モデルは、生体内および試験管内の代謝研究に使用されるトリチウムと炭素14用に特別に設計されました。^[3]

イオン化粒子がシンチレータ材料に侵入すると、軌道に沿って原子が励起されます。荷電粒子の場合、軌道は粒子自体の進路です。ガンマ線（非荷電）の場合、そのエネルギーは光電効果、コンプトン散乱、または対生成のいずれかによって高エネルギー電子に変換されます。

シンチレータ内の原子の脱励起の化学反応により、通常は可視スペクトルの青色端付近の多数の低エネルギー光子が発生します。その量は、電離粒子によって蓄積されたエネルギーに比例します。これらの光子は光電子増倍管の光電陰極に向けられ、光電効果により、光電子増倍管は到着する光子ごとに最大で 1 個の電子を放出します。この一次電子のグループは静電的に加速され、電位によって集束されて、管の最初のダイノードに衝突します。1 個の電子がダイノードに衝突すると、多数の二次電子が放出され、これが今度は加速されて 2 番目のダイノードに衝突します。後続のダイノードに衝突するたびにさらに電子が放出されるため、各ダイノード ステージで電流増幅効果が発生します。各ステージは、加速場を提供するために前のステージよりも電位が高くなっています。

結果として生じる陽極の出力信号は、光電陰極に到達したシンチレータ内の元の電離イベントからの光子の各グループに対する測定可能なパルスであり、元の入射放射線のエネルギーに関する情報を運びます。エネルギー情報を統合する電荷増幅器に送られると、シンチレータを励起する粒子のエネルギーに比例する出力パルスが得られます。

単位時間あたりのこのようなパルスの数からも、放射線の強度に関する情報が得られます。アプリケーションによっては、個々のパルスをカウントせず、アノードの平均電流のみを放射線の強度の尺度として使用します。

シンチレータは、外部の光子が入射放射線によって引き起こされる電離イベントを圧倒しないように、すべての周囲光から遮蔽する必要があります。これを実現するために、アルミニウムマイラーなどの薄い不透明箔がよく使用されますが、測定対象の入射放射線の過度の減衰を最小限に抑えるには、その質量が十分に小さくなければなりません。

光電子増倍管に関する記事には、光電子増倍管の動作に関する詳細な説明が記載されています。

シンチレーターは透明な結晶、通常は蛍光体、プラスチック（通常はアントラセンを含む）、または有機液体（液体シンチレーション計数を参照）で構成され、電離放射線が当たると蛍光を発します。

結晶状態のヨウ化セシウム(CsI) は、陽子とアルファ粒子の検出用のシンチレーターとして使用されます。少量のタリウムを含むヨウ化ナトリウム(NaI)は、ガンマ波の検出用のシンチレーターとして使用され、硫化亜鉛(ZnS) はアルファ粒子の検出器として広く使用されています。硫化亜鉛は、ラザフォードが散乱実験を行うために使用した物質です。ヨウ化リチウム(LiI) は、中性子検出器で使用されます。

ガンマ線検出器の量子効率（単位体積あたり）は、検出器内の電子密度に依存し、ヨウ化ナトリウムやゲルマニウム酸ビスマスなどの特定のシンチレータ材料は、それらを構成する元素の一部の原子番号が高いために高い電子密度を実現します。しかし、半導体、特に超高純度ゲルマニウムをベースにした検出器は、シンチレータよりも固有のエネルギー分解能が優れているため、ガンマ線分光測定に使用できる場合は好まれます。

中性子検出器の場合、中性子を効率的に散乱させる水素を多く含むシンチレーション物質を使用することで高い効率が得られます。液体シンチレーションカウンターは、ベータ線を定量化する効率的で実用的な手段です。

シンチレーションカウンターは、携帯型放射線サーベイメーター、放射能汚染の人員および環境モニタリング、医療用画像処理、放射分析、核セキュリティ、原子力発電所の安全性など、さまざまな用途で放射線を測定するために使用されます。

輸送中の潜在的に危険なガンマ線放出物質の検出にシンチレーションカウンターを利用したいくつかの製品が市場に導入されている。これらには、貨物ターミナル、国境警備、港、計量橋、金属スクラップ置き場、核廃棄物の汚染監視用に設計されたシンチレーションカウンターが含まれる。汚い爆弾や放射性廃棄物による安全上の状況に迅速に対応するために、ピックアップトラックやヘリコプターに搭載されたシンチレーションカウンターのバリエーションがある。^{[4] [検証に失敗した] [5] [検証に失敗した]}手持ち式ユニットもよく使用されている。^[6]

英国では、健康安全庁（HSE）が、関係する用途に適した放射線測定器を選択するためのユーザーガイダンスノートを発行しています。これはすべての放射線測定器技術を網羅しており、シンチレーション検出器の使用に関する有用な比較ガイドです。^[7]

地域または個人調査用の放射能汚染モニターは、監視対象の表面を効率的かつ迅速にカバーするために、広い検出領域を必要とします。このためには、大面積のウィンドウと統合型光電子増倍管を備えた薄いシンチレーターが最適です。これらは、人員および環境の放射能汚染監視の分野で広く使用されています。検出器は、用途に応じて、1 つまたは 2 つのシンチレーション材料を使用するように設計されています。「シングル リン光体」検出器はアルファ線またはベータ線のいずれかに使用され、「デュアル リン光体」検出器は両方の検出に使用されます。^[8]

硫化亜鉛などのシンチレータはアルファ粒子の検出に使用され、プラスチックシンチレータはベータ粒子の検出に使用されます。結果として生じるシンチレーションエネルギーは区別できるため、同じ検出器でアルファ粒子とベータ粒子のカウントを別々に測定できます。^[8]この技術は、手持ち式と固定式の両方のモニタリング装置で使用されており、このような機器はガス比例検出器に比べて比較的安価です。

周囲のガンマ線量測定にはシンチレーション材料が使用されますが、薄い窓は必要ないため、汚染の検出には異なる構造が使用されます。

シンチレータは、高エネルギー放射線の単一光子を多数の低エネルギー光子に変換することがよくあります。この場合、入力エネルギーのメガ電子ボルトあたりの光子の数はほぼ一定です。したがって、フラッシュの強度 ( X 線またはガンマ光子によって生成される光子の数) を測定することにより、元の光子のエネルギーを識別することができます。

分光計は、適切なシンチレータ結晶、光電子増倍管、および光電子増倍管によって生成されるパルスの高さを測定する回路で構成されています。パルスはカウントされ、高さによって分類され、シンチレータフラッシュの明るさとフラッシュ数の xy プロットが生成されます。これは、いくつかの追加のアーティファクトを伴いますが、入射放射線のエネルギースペクトルを近似します。単色ガンマ放射線は、そのエネルギーで光ピークを生成します。検出器は、コンプトン散乱によって生じる低エネルギーでの応答、1 つまたは両方の消滅光子が逃げるときに電子陽電子対を生成するための光ピークより 0.511 MeV と 1.022 MeV 下のエネルギーでの 2 つの小さな脱出ピーク、および後方散乱ピークも示します。 2つ以上の光子がほぼ同時に検出器に当たると（データ取得チェーンの時間分解能内でのパイルアップ）、2つ以上の光子ピークを加算した値までのエネルギーの合計ピークとして現れる、より高いエネルギーが測定される可能性がある^[8]

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