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シンチレーター（/ ˈsɪntɪleɪtər /シンチレーター）は、電離放射線によって励起されると、発光の一種であるシンチレーション（放射線発光とも呼ばれる）を示す物質である[ 1 ] 。発光物質は、入射粒子に衝突されると、そのエネルギーを吸収してシンチレーション（つまり、吸収したエネルギーを光の形で再放出する）を起こす[ a ] 。励起状態が準安定状態である場合、励起状態からより低い状態への緩和が遅れる（物質によって数ナノ秒から数時間かかる）。このプロセスは、遅延蛍光またはリン光のいずれかの現象に対応する。対応関係は遷移の種類、したがって放出される光子の波長に依存する。
シンチレーション検出器またはシンチレーションカウンターは、シンチレーターを光電子増倍管（PMT）、フォトダイオード、シリコン光電子増倍管（SiPM）などの電子光センサーに接続することで得られます。PMTはシンチレーターから放出された光を吸収し、光電効果によって電子の形で再放出します。これらの電子（光電子と呼ばれることもあります）が増幅されると電気パルスが発生し、これを分析することで、シンチレーターに最初に衝突した粒子に関する有益な情報を得ることができます。
真空フォトダイオードは同様の原理で動作しますが、信号を増幅しません。一方、シリコンフォトダイオードは、シリコン中の電荷キャリアを直接励起することで入射光子を検出します。シリコン光電子増倍管は、アバランシェモードで動作するのに十分な電圧で逆バイアスされたフォトダイオードのアレイで構成されており、アレイの各ピクセルが単一光子に感度を持つようになっています。
シンチレーターを使用した最初の装置は、1903 年にサー・ウィリアム・クルックスによって製作され、ZnSスクリーンが使用されました。[ 2 ] [ 3 ]スクリーンによって生成されたシンチレーションは、暗室で顕微鏡で見ると目視できました。この装置はスピンタリスコープとして知られていました。この技術は多くの重要な発見につながりましたが、明らかに面倒でした。シンチレーターは、1944 年にカランとベイカーが肉眼による測定を新しく開発されたPMTに置き換えたときに、さらに注目を集めました。これが現代のシンチレーション検出器の誕生でした。[ 2 ]
シンチレーターは、米国政府によって国土安全保障のための放射線検出器として使用されています。シンチレーターは、粒子検出器、新エネルギー資源探査、X線セキュリティ、核カメラ、コンピュータ断層撮影、ガス探査などにも使用できます。
シンチレータのその他の用途としては、医療診断におけるCTスキャナやガンマカメラ、旧式のCRTコンピュータモニターやテレビのスクリーンなどがあります。シンチレータは、例えば原子力電池における光起電力効果によるガンマ線エネルギーの利用に関する理論モデルの一部としても提案されています[ 4 ]。
シンチレーターと光電子増倍管を組み合わせた装置は、放射性汚染の検出・測定や核物質のモニタリングに使用される携帯型サーベイメーターで広く用いられています。シンチレーターは蛍光管内で発光し、放電の紫外線を可視光に変換します。シンチレーション検出器は、石油業界ではガンマ線検層用の検出器としても使用されています。
シンチレータには、高密度、高速動作速度、低コスト、耐放射線性、生産能力、動作パラメータの耐久性など、多くの望ましい特性があります。高密度は、高エネルギーγ線と電子のシャワーの物質サイズを小さくします。低エネルギーγ線のコンプトン散乱光子の飛程も、高密度材料によって減少します。これにより、検出器のセグメント化が高まり、空間分解能が向上します。通常、高密度材料は格子中に重イオン（鉛、カドミウムなど）を含み、光電効果（～Z 4 ）の寄与を大幅に増加させます 。光電効果の増加は、陽電子放出断層撮影などの一部のアプリケーションにとって重要です。
電離放射線の電磁成分に対する高い阻止能には、より大きな光電比が必要であり、これにより小型の検出器が可能になります。スペクトルの良好な分解能には、高速な動作速度が必要です。シンチレーション検出器による時間測定の精度は、√τsc に比例します。短い減衰時間は、時間間隔の測定や高速同時計数回路での動作にとって重要です。高密度と高速応答時間は、素粒子物理学における稀な事象の検出を可能にします。シンチレータ材料に沈着した粒子エネルギーは、シンチレータの応答に比例します。
荷電粒子、γ線、イオンは、応答を測定すると傾きが異なります。そのため、シンチレーターは、混合放射線の流れの中でさまざまな種類のγ線や粒子を識別するために使用できます。シンチレーターのもう1つの考慮事項は、製造コストです。ほとんどの結晶シンチレーターは、高純度の化学物質と、場合によってはかなり高価な希土類金属を必要とします。材料費がかかるだけでなく、多くの結晶は高価な炉と、成長と分析にほぼ6か月かかる必要があります。現在、製造コストを削減するために、他のシンチレーターが研究されています。[ 5 ]
優れた検出器シンチレータには、他にもいくつかの望ましい特性があります。例えば、低いガンマ線出力（つまり、入射放射線のエネルギーをシンチレーション光子に変換する効率が高いこと）、自身のシンチレーション光に対する透明性（良好な光収集のため）、研究対象の放射線の効率的な検出、高い阻止能、広いエネルギー範囲にわたる良好な直線性、高速タイミングアプリケーション（同時計数測定など）のための短い立ち上がり時間、検出器のデッドタイムを短縮し、高いイベントレートに対応するための短い減衰時間、既存の光電子増倍管（PMT）のスペクトル感度に一致するスペクトル範囲での発光（波長シフターを使用できる場合もあります）、 PMTウィンドウへの最適な結合を可能にするガラスに近い屈折率（約1.5）などです。振動や高温に対する耐性が必要な場合（例えば、石油探査など）には、堅牢性と高温下での良好な動作が望ましい場合があります。シンチレータ材料の実際的な選択は、通常、特定のアプリケーションに最も適するように、これらの特性の間で妥協することになります。
上記の特性の中で、光出力は検出器の効率と分解能の両方に影響するため、最も重要です（効率とは、検出器に入射する粒子の総数に対する検出された粒子の数の比率であり、エネルギー分解能とは、特定のエネルギーピークの半値全幅とピーク位置の比率であり、通常は パーセントで表されます）。光出力は、入射する粒子または光子の種類とそのエネルギーに大きく依存するため、特定の用途に使用するシンチレーション材料の種類に大きな影響を与えます。
消光効果の存在により、光出力が低下します（つまり、シンチレーション効率が低下します）。消光とは、励起が主に熱に分解されるすべての無放射脱励起プロセスを指します。[ 6 ]ただし、検出器の全体的な信号生成効率は、 PMTの量子効率（通常、ピークで約30%）と、光の透過と収集の効率（シンチレータとライトガイドを覆う反射材の種類、ライトガイドの長さ/形状、光吸収などによって決まります）にも依存します。光出力は、多くの場合、堆積エネルギー1 keVあたりに生成されるシンチレーション光子の数として定量化されます。典型的な数値は（入射粒子が電子の場合）、NaI(Tl)では約40光子/keV 、プラスチックシンチレータでは約10光子/keV、ビスマスゲルマニウム（BGO）では約8光子/keVです。
シンチレーション検出器は一般的に線形であると仮定されています。この仮定は、(1)シンチレータの光出力が入射放射線のエネルギーに比例すること、(2)光電子増倍管によって生成される電気パルスが放出されるシンチレーション光に比例すること、という2つの要件に基づいています。線形性の仮定は通常、良いおおまかな近似ですが、ずれが生じる可能性があります（特に低エネルギーの陽子より重い粒子の場合に顕著です）。 [ 1 ]
高温高振動環境下での耐性と良好な動作は、石油探査（ワイヤーライン検層、掘削中の計測）などの用途で特に重要です。ほとんどのシンチレータでは、光出力とシンチレーション減衰時間は温度に依存します。[ 7 ]この依存性は通常弱いため、室温での用途ではほぼ無視できます。温度依存性は、NaI-TlやBGOなどの無機結晶よりも有機シンチレータの方が弱いです。BGOシンチレータの減衰時間の温度依存性が強いことは、真空環境での温度の遠隔監視に使用されます。[ 8 ]結合されたPMTも温度感度を示し、機械的衝撃を受けると損傷する可能性があります。したがって、高温高振動用途では、高温耐性のあるPMTを使用する必要があります。
単一のシンチレーションイベントで放出されるシンチレーション光子の数Nの時間発展は、多くの場合、1 または 2 つの指数関数的減衰の線形重ね合わせによって記述できます。2 つの減衰の場合、次の形式になります。[ 1 ]
ここで、τ fとτ s は、それぞれ高速 (または即時) および低速 (または遅延) の減衰定数です。多くのシンチレータは、2 つの時間成分、すなわち高速 (または即時) と低速 (または遅延) によって特徴付けられます。通常、高速成分が支配的ですが、2 つの成分の相対振幅AとBは、シンチレーション材料に依存します。これらの成分は両方とも、エネルギー損失dE / dxの関数にもなり得ます。このエネルギー損失依存性が強い場合、全体の減衰時定数は入射粒子の種類によって変化します。このようなシンチレータは、パルス形状の弁別、すなわち、PMT 電気パルスの減衰特性に基づく粒子の識別を可能にします。たとえば、BaF 2を使用する場合、γ 線は通常高速成分を励起し、α 粒子は低速成分を励起します。したがって、PMT 信号の減衰時間に基づいてこれらを識別することが可能です。
有機シンチレーターは、ベンゼン環構造が様々な方法で相互に連結した芳香族炭化水素化合物です。その発光は通常、数ナノ秒以内に減衰します。[ 9 ]
有機シンチレーターの中には純粋な結晶であるものもある。最も一般的なタイプはアントラセン[ 10 ]（C14 H10、減衰時間 ≈ 30 ns)、スチルベン[ 10 ] (C14 H12、4.5 ns 減衰時間）、およびナフタレン（C10 H8、数ナノ秒の減衰時間）。非常に耐久性がありますが、応答が異方性で（光源が平行）、加工が容易ではなく、大きなサイズで成長させることもできないため、あまり使用されていません。アントラセンはすべての有機シンチレーターの中で最も高い光出力を持ち、そのため基準として選択されています。他のシンチレーターの光出力は、アントラセンの光出力に対する割合として表されることがあります。 [ 11 ]
これらは、1種類以上の有機シンチレーターを有機溶媒に溶解させた液体溶液である。典型的な溶質は、 p-テルフェニル（C）などの蛍光体である。18 H14）、PBD（C20 H14 N2 O)、ブチル PBD(C )24時間22 N2 O)、PPO(C )15時間11 NO)、およびPOPOP(C )などの波長シフター24時間16 N2 O)。最も広く使用されている溶媒はトルエン、キシレン、ベンゼン、フェニルシクロヘキサン、トリエチルベンゼン、デカリン。液体シンチレーターには、特定のPMTのスペクトル感度範囲に合わせるための波長シフターや、シンチレーションカウンターニュートロン検出効率を高めるため10B（10熱中性子との相互作用断面積が大きい）。新しいアプローチでは、複数の溶媒を組み合わせたり、異なる金属を添加したりして、入射粒子の識別を実現しています。 [ 12 ] [ 13 ]多くの液体では、溶存酸素が消光剤として作用し、光出力の低下につながる可能性があるため、溶液を酸素のない気密容器に封入する必要があります。 [ 6 ]
「プラスチックシンチレーター」という用語は、通常、フッ素と呼ばれる主要な蛍光発光体が固体ポリマーマトリックスであるベースに懸濁されたシンチレーション材料を指します。この組み合わせは通常、バルク重合の前にフッ素を溶解することによって実現されますが、多くのLi6プラスチックシンチレーターの場合のように、フッ素が共有結合または配位結合によってポリマーに直接結合している場合もあります。ポリエチレンナフタレートは、添加剤なしでそれ自体でシンチレーションを示すことがわかっており、より高い性能とより低い価格のため、既存のプラスチックシンチレーターに取って代わることが期待されています。[ 14 ]
プラスチックシンチレータの利点としては、かなり高い光出力と、2～4ナノ秒の減衰時間を持つ比較的速い信号が挙げられますが、おそらくプラスチックシンチレータの最大の利点は、金型やその他の手段を用いて、多くの場合高い耐久性を持ちながら、ほぼあらゆる望ましい形状に成形できることです。[ 15 ]プラスチックシンチレータは、エネルギー密度が大きい場合に光出力が飽和することが知られています（バークスの法則）。
プラスチックシンチレーターに最も一般的に使用されるベースは芳香族プラスチック、つまりポリマー主鎖に側鎖として芳香環を持つポリマーであり、中でもポリビニルトルエン（PVT）とポリスチレン（PS）が最も有名です。ベースは電離放射線の存在下で蛍光を発しますが、その収率が低く、自身の発光に対する透明性がほとんどないため、実用的なシンチレーターの構築には蛍光体の使用が必要となります。[ 15 ]芳香族プラスチック以外で最も一般的なベースはポリメチルメタクリレート（PMMA）であり、これは他の多くのベースに比べて2つの利点があります。紫外線と可視光に対する高い透明性と機械的特性、そして脆性に対する高い耐久性です。PMMAに関連する蛍光の欠如は、通常ナフタレンなどの芳香族共溶媒の添加によって補われることがよくあります。このようにPMMAをベースとしたプラスチックシンチレーターは、自身の放射線に対する透明性を誇り、均一な光の収集を確実にします。[ 16 ]
その他の一般的な塩基としては、ポリビニルキシレン（PVX）、ポリメチルスチレン、2,4-ジメチルスチレン、2,4,5-トリメチルスチレン、ポリビニルジフェニル、ポリビニルナフタレン、ポリビニルテトラヒドロナフタレン、およびこれらの塩基と他の塩基の共重合体などが挙げられる。[ 15 ]
ルミノフォアとも呼ばれるこれらの化合物は、ベースからのシンチレーションを吸収し、より長波長の光を放出することで、ベースからの紫外線放射をより容易に伝達できる可視光へと効果的に変換します。スペクトルシフターまたはコンバーターと呼ばれる第2の蛍光体を加えることで、減衰長をさらに長くすることができ、その結果、青色または緑色の光を放出することがよくあります。
一般的なフッ素化合物には、ポリフェニル炭化水素、オキサゾールおよびオキサジアゾールアリール、特にn-テルフェニル（PPP）、2,5-ジフェニルオキサゾール（PPO）、1,4-ジ-(5-フェニル-2-オキサゾリル)-ベンゼン（POPOP）、2-フェニル-5-(4-ビフェニリル)-1,3,4-オキサジアゾール（PBD）、および2-(4'-tert-ブチルフェニル)-5-(4 ″ -ビフェニリル)-1,3,4-オキサジアゾール（B-PBD）が含まれる。[ 17 ]
無機シンチレーターは通常、高温炉で成長させた結晶であり、例えばアルカリ金属ハロゲン化物などが挙げられ、多くの場合、少量の活性剤不純物が含まれています。最も広く使用されているのはNaI(Tl)（タリウム添加ヨウ化ナトリウム）で、そのシンチレーション光は青色です。その他の無機アルカリハロゲン化物結晶には、CsI(Tl)、CsI(Na)、CsI（純粋）、CsF、KI(Tl)、LiI(Eu)などがあります。非アルカリ金属結晶には、BGO、BaFなどがあります。2、CaF2 (Eu)、ZnS(Ag)、CaWO4、CdWO4、YAG(Ce)(Y3アル5 O12 (Ce))、GSO、LSO、GAGG:Ce蛍光体も参照)。 [ 18 ]
新開発製品にはLaClが含まれる3 (Ce)、塩化ランタン、およびセリウムをドープした臭化ランタン、LaBr3 (Ce)。どちらも吸湿性が（つまり、空気中の水分にさらされると損傷する）が、優れた光出力とエネルギー分解能（LaBr3 (Ce)対 38 光子/keV γ (NaI(Tl))、高速応答 (LaBrLaBr 3 (Ce) はNaI(Tl) [ 10 ]の 230 ns に対して) であり、優れた直線性と、広い温度範囲にわたって非常に安定した光出力を提供します。さらに、LaBr3(Ce) は、γ 線に対してより高い阻止能を提供します (密度は 5.08 g/cm3NaI(Tl) [ 10 ]の3.67 g/cm3)。LYSO(Lu1.8年0.2 SiO5 (Ce)) は、さらに高い密度 (7.1 g/cm3、BGO) を持ち、吸湿性がなく、BGO(32 光子/keV γ) を持ち、さらにかなり高速 (減衰時間 41 ns に対し、BGO) です。
NaIなどの一部の無機結晶の欠点は吸湿性であり、湿気から保護するために気密容器に保管する必要がある。CsI (Tl)とBaF₂は吸湿性がわずかで、通常は保護を必要としない。CsF、NaI(Tl)、LaCl3 (Ce)、LaBr3 (Ce)は吸湿性があり、BGO、CaF2 (Eu)、LYSO、およびYAG(Ce)はそうではありません。
無機結晶は小さく切断してアレイ状に配置することで、位置検出が可能になります。このようなアレイは、医療物理学やセキュリティ分野でX線やγ線を検出するためによく用いられます。この種の用途には、一般的に高原子番号で高密度の材料（例：LYSO、BGO）が好まれます。
無機結晶におけるシンチレーションは、一般的に有機結晶におけるシンチレーションよりも遅く、 ZnO(Ga)では1.48ナノ秒、CaWOでは9000ナノ秒の範囲である。4. [ 10 ]例外はCsF（約5ナノ秒）、高速BaF2 (0.7 ns; 遅い成分は 630 ns)、および新しい製品 (LaCl3 (Ce)、28 ns;LaBr3 (Ce)、16 ns;LYSO、41ns）。
イメージング用途において、無機結晶の利点の1つは非常に高い光収量である。662 keVで100,000光子/MeVを超える高光収量シンチレーターが、ごく最近LuIで報告されている。3 (Ce)、SrI2 (Eu)、およびCs2 HfCl6 .
ZnS(Ag)（歴史の項で述べた）、CdS(Ag)、ZnO(Zn)、ZnO(Ga)、CdS(In)、ZnSe(O)、ZnTe(O)など、多くの半導体シンチレーター蛍光体が知られているが、これらのいずれも単結晶としては入手できない。CdS(Te)とZnSe(Te)は単結晶として市販されているが、室温では発光が部分的に消光される。[ 19 ]
GaAs(Si,B)は、赤外線領域で高い光出力を持ち、残光がほとんどない、最近発見された極低温半導体シンチレーターです。超低ノイズ極低温光検出器と組み合わせることで、相互作用する暗黒物質からのまれな低エネルギー電子励起を検出する実験の対象となっています。[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]
気体シンチレーターは窒素と希ガスであるヘリウム、アルゴン、クリプトン、キセノンから構成され、ヘリウムとキセノンが最も注目されています。シンチレーションプロセスは、入射粒子の通過によって励起された単一原子の脱励起によるものです。この脱励起は非常に速く（約1ナノ秒）、検出器の応答も非常に速いです。これらのガスは通常紫外線領域で発光し、光電子増倍管は可視の青緑色領域によりよく反応するため、容器の壁に波長シフターをコーティングすることが一般的に必要です。原子核物理学では、気体検出器は核分裂片や重荷電粒子の検出に使用されてきました。[ 27 ]
最も一般的なガラスシンチレーターは、セリウム活性化リチウムまたはホウケイ酸塩です。リチウムとホウ素はどちらも中性子断面積が大きいため、ガラス検出器は特に熱中性子（低速中性子）の検出に適しています。リチウムは中性子を捕獲した際のエネルギー放出が大きく、光出力も大きいため、ホウ素よりも広く使用されています。ただし、ガラスシンチレーターは電子やγ線にも感度があります（パルス高さ弁別は粒子識別に使用できます）。非常に頑丈であるため、過酷な環境条件にも適しています。応答時間は約10 nsですが、光出力は低く、通常はアントラセンの約30%です。[ 11 ]
有機無機メチルアンモニウム（MA）鉛ハロゲン化物ペロブスカイトの陽子照射下でのシンチレーション特性は、2002年に渋谷らによって初めて報告された[ 28 ] 。また、最初のγ線パルス高さスペクトルは、エネルギー分解能は低いものの、( (C)で報告された。6時間5 (CH2 )2NH3 )2 PbBr4 ) 2008年にvan Eijkらによって研究された。[ 29 ] Birowosutoら[ 30 ]は、X線励起下での3次元および2次元層状ペロブスカイトのシンチレーション特性を研究した。MAPbBr3(CH3NH3 PbBr3 ) 550 nmで発光し、MAPbI3(CH3NH3 PbI3 ) 750 nm での発光は、化合物のバンドギャップ付近の励起子発光に起因する。この第一世代の Pb ハロゲン化物ペロブスカイトでは、室温で発光が強く消光され、1 000 ph/MeV 未満しか残らない。しかし、10 K では強い発光が観測され、 [ 30 ]は最大 200 000 ph/MeV の収量について記述している。消光は、励起子の eh 結合エネルギーが小さく、Cl から Br 、I へと減少することに起因する。 [ 31 ]興味深いことに、有機 MA 基を Cs+ に置き換えることで、完全な無機 CsPbX3 nm から 700 nm まで調整できる 。 [ 32 ]また、Cs を Rb で希釈することで同様の調整を得ることができる。
最近の進展により、有機無機および全無機のPbハロゲン化物ペロブスカイトは、さまざまな興味深いシンチレーション特性を有することが明らかになりました。しかし、室温で10,000～40,000 ph/MeVの光収量と10 ns以下の減衰時間を有する最近の2次元ペロブスカイト単結晶[ 30 ]は、CsPbBr3量子 ドットシンチレーターと比較して最大200 nmのはるかに大きなストークスシフトを有する可能性があり、これはシンチレーターの自己再吸収を防ぐために不可欠であるため、より好ましいものとなるでしょう。
最近では、馬碧武教授の研究グループによって初めて報告された、ペロブスカイト材料の拡張である 0D 有機金属ハロゲン化物ハイブリッド (OMHH) と呼ばれる新しい材料クラスがあります。[ 33 ]この材料クラスは、数百 meV の強い励起子結合を示し、その結果、ほぼ 1 という高い光ルミネセンス量子効率が得られます。大きなストークスシフトと再吸収のない特性により、望ましいものとなっています。[ 33 ]シンチレーターへの潜在的な応用は、同じグループや他のグループによって報告されています。[ 34 ] [ 35 ] 2020 年に、(C38H34P2)MnBr4 は、従来の全無機材料と比較して Z が低いにもかかわらず、最大 80,000 Photon/MeV の光出力を持つことが報告されました。[ 34 ]他の 0D OMHH からの印象的な光出力が報告されています。この材料クラスから新世代のシンチレーターを実現する大きな可能性があります。しかしながら、これらのデバイスは応答時間がマイクロ秒単位で比較的長いという制約があり、これは現在集中的な研究が行われている分野である。
分子の自由価電子による遷移が、有機結晶におけるシンチレーション光の生成の原因である。[ 9 ]これらの電子は特定の原子ではなく分子全体に関連しており、いわゆる分子軌道を占有している。基底状態S 0は一重項状態であり、その上には励起一重項状態（S *、S **、…）、最低三重項状態（T 0）、およびその励起準位（T *、T **、…）が存在する。分子振動モードに対応する微細構造が、これらの各電子準位に関連付けられている。電子準位間のエネルギー間隔は約1 eVであり、振動準位間の間隔は電子準位間の間隔の約1/10である。[ 36 ]
入射粒子は電子準位または振動準位のいずれかを励起することができます。一重項励起は、放射を放出することなく（内部劣化）、直ちに（10 ps未満で）S *状態に崩壊します。S *状態は、シンチレーション光子を放出して基底状態 S 0 （通常は S 0より上の振動準位のいずれか）に崩壊します。これが即時成分または蛍光です。シンチレータが放出された光子に対して透明であるのは、光子のエネルギーが S 0 → S *遷移に必要なエネルギーよりも小さいためです（遷移は通常、S 0より上の振動準位に起こります）。[ 36 ]
三重項状態の1つが励起されると、放射線を放出することなくすぐにT 0状態に崩壊します（内部崩壊）。T 0 → S 0遷移は非常に起こりにくいため、T 0状態は代わりに別のT 0分子と相互作用して崩壊します。[ 36 ]
そして、分子の1つをS *状態に残し、それがシンチレーション光子を放出してS0状態に崩壊します。T0-T0相互作用には時間がかかるため、シンチレーション光は遅延します。これが遅い成分、または遅延成分（遅延蛍光に対応）です。場合によっては、直接T0 → S0遷移（これも遅延）が発生し、リン光現象に対応します。遅延蛍光とリン光の観測上の違いは、 S * →S0遷移とT0 → S0遷移で放出される光子の波長の違いであることに注意してください。
有機シンチレーターは有機溶媒に溶解して液体またはプラスチックシンチレーターを形成できます。シンチレーションプロセスは有機結晶の場合（上記）と同じですが、エネルギー吸収のメカニズムが異なります。エネルギーはまず溶媒に吸収され、次にシンチレーション溶質に伝達されます（伝達の詳細は明確には理解されていません）。[ 36 ]
無機材料におけるシンチレーション過程は、結晶に見られる電子バンド構造によるものであり、有機シンチレーターの場合のように分子的な性質のものではない。[ 37 ]入射粒子は、価電子帯から伝導帯または励起子帯（伝導帯のすぐ下に位置し、エネルギーギャップによって価電子帯から分離されている。図を参照）に電子を励起することができる。これにより、価電子帯に正孔が残る。不純物は禁制帯に電子準位を作り出す。励起子は、不純物中心に全体として捕捉されるまで結晶格子内をさまよう、ゆるく結合した電子-正孔対である。
後者はその後、シンチレーション光（高速成分）を放出して急速に脱励起する。活性化剤不純物は通常、放出される光が可視光域または近紫外域（光電子増倍管が有効な領域）になるように選択される。伝導帯の電子に関連する正孔は、後者とは独立している。これらの正孔と電子は、不純物中心によって順次捕捉され、励起子にはアクセスできない特定の準安定状態を励起する。これらの準安定不純物状態の遅延脱励起によって、再びシンチレーション光（低速成分）が生じる。
BGO（ビスマスゲルマニウム酸化物）は、活性剤不純物を含まない純粋な無機シンチレーターです。シンチレーション現象は、Bi³⁺の光遷移によって生じます。イオンは結晶の主要構成要素である。[ 6 ]タングステン酸塩シンチレーターCaWOでは4とCdWO4.発光は自己トラップ励起子の放射崩壊によるものである。
シリコンとホウ素不純物をドープした GaAs のシンチレーション過程は、シリコンn型ドーピングによって伝導帯の底に非局在化電子の内部集団が生成されるという点で、従来のシンチレーターとは異なります。[ 38 ]ホウ素不純物原子の一部はヒ素サイトに存在し、アクセプターとして機能します。[ 39 ]ホウ素などのアクセプター原子が価電子帯からイオン化ホールを捕獲し、そのホールが非局在化電子の 1 つと放射的に再結合すると、シンチレーション光子が生成されます。[ 40 ]
他の多くの半導体とは異なり、シリコンによって提供される非局在化電子は極低温でも「凍結」されません。モット転移濃度を超えると、8 × 10 15 個の自由キャリア/cm 3が存在し、相互反発により追加の電子が次のより高い利用可能なエネルギー準位、つまり伝導帯に移動するため、「金属」状態は極低温で維持されます。[ 41 ]このプロセスからの光子のスペクトルは 930 nm (1.33 eV) を中心としており、他のマイナーなプロセスから 860、1070、および 1335 nm を中心とする 3 つの発光バンドがあります。 [ 42 ]これらの発光バンドはそれぞれ異なる輝度と減衰時間を持っています。[ 43 ]高いシンチレーション輝度は、(1) 屈折率が約 3.5 であるため、全反射によって脱出が抑制され、(2) 90K での実験では、狭ビーム赤外線吸収係数が数/cm であることが報告されているため、驚くべきものです。[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]
最近のモンテカルロ法とファインマン経路積分法の計算では、狭いビーム吸収の大部分が、伝導電子による約 5 × 10 −18 cm 2の断面積を持つ新しい光散乱であり、シンチレーション光子が全反射から逃れることができる場合、高い輝度を説明できることが示されています。[ 47 ] [ 48 ]この断面積はトムソン散乱の約 10 7倍大きいですが、金属ミラー内の伝導電子の光断面積に匹敵します。
気体中のシンチレーション現象は、入射粒子の通過によって励起された単一原子の脱励起によるものである（非常に速いプロセス：約1 ナノ秒）。
シンチレーションカウンターは、次の3つの理由から、重イオンの検出には通常適していません。 [ 49 ]
光出力の低下は、無機結晶よりも有機結晶の方が大きい。そのため、必要に応じて、無機結晶、例えばCsI(Tl)、ZnS(Ag) (通常はα粒子モニターとして薄いシートで使用される)、CaF が使用される。2 (Eu)は有機材料よりも好ましい。典型的な用途としては、α線サーベイ装置、線量測定装置、重イオンdE/dx原子核物理にも使用されている。
ほとんどのシンチレータでは、電子の検出効率は基本的に100%です。しかし、電子は大きな角度で散乱（時には後方散乱）を起こすことがあるため、検出器に全エネルギーを沈着させずに出てしまうことがあります。後方散乱は、シンチレータ材料の原子番号Zの急激に増加する関数です。無機結晶よりもZ が低い有機シンチレータは、低エネルギー（< 10 MeV）ベータ粒子の検出に最適です。高エネルギー電子の場合は状況が異なります。高エネルギーでは主に制動放射によってエネルギーを失うため、制動放射光子の検出と、それが引き起こす電磁シャワーの生成には、 Zが高い材料の方が適しています。 [ 50 ]
無機結晶などの高Z材料は、ガンマ線の検出に最適です。ガンマ線が物質と相互作用する基本的な方法は、光電効果、コンプトン散乱、および電子対生成の3 つです。光電効果と電子対生成では光子は完全に吸収されますが、コンプトン散乱ではエネルギーの一部のみが沈着します。光電過程の断面積はZ 5に比例し、電子対生成の断面積はZ 2に比例しますが、コンプトン散乱はおおよそZに比例します。したがって、高Z材料は前 2 つの過程を促進し、ガンマ線の全エネルギーの検出を可能にします。[ 50 ]ガンマ線のエネルギーが高い場合 (>5 MeV)、電子対生成が支配的になります。
中性子は電荷を持たないため、クーロン力によって相互作用せず、したがってシンチレーション材料を電離しません。まず、強い力によってそのエネルギーの一部または全部を荷電原子核に伝達する必要があります。正に帯電した原子核が電離を引き起こします。高速中性子（一般的に >0.5 MeV [ 6 ] ）は主に (n,p) 反応の反跳陽子に依存します。そのため、プラスチックシンチレーターなどの水素を多く含む材料が、その検出に最適です。低速中性子は、(n,γ) 反応や (n,α) 反応などの核反応によって電離を引き起こします。そのため、シンチレーター材料に6 Li や10 Bなどのこれらの核反応の断面積が大きい核種が含まれていない限り、その平均自由行程はかなり大きくなります。したがって、LiI(Eu) やガラスケイ酸塩などの材料は、低速（熱）中性子の検出に特に適しています。[ 51 ]
以下は、一般的に使用される無機結晶の一覧です。
