シンチレーター

シンチレータ（/ ˈ s ɪ n t ɪ l eɪ t ər / SIN -til -ay-ter ）は、電離放射線によって励起されるとシンチレーション（発光特性）[1]を示す^物質である。発光物質は、入射粒子が当たると、そのエネルギーを吸収してシンチレーションする（すなわち、吸収したエネルギーを光の形で再放射する）。^[a]励起状態が準安定である場合、励起状態からより低い状態への緩和が遅延される（物質に応じて数ナノ秒から数時間を要する）。この場合、このプロセスは、遅延蛍光またはリン光という2つの現象のいずれかに対応する。対応は遷移のタイプ、つまり放出された光子の波長によって決まる。

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は、シンチレータを光電子増倍管(PMT)、フォトダイオード、シリコン光電子増倍管などの電子光センサと結合することで得られます。PMT はシンチレータ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。その後、それらの電子 (光電子と呼ばれることもあります) が増幅されて電気パルスが生成され、これを分析すると、シンチレータに最初に衝突した粒子に関する意味のある情報が得られます。真空フォトダイオードは似ていますが、信号を増幅しません。一方、シリコンフォトダイオードは、シリコン内で直接電荷キャリアを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ため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、アレイの各ピクセルが単一光子に反応できるようにします。^{[引用が必要]}

シンチレータを使用した最初の装置は、1903年にウィリアム・クルックス卿によって製作され、ZnSスクリーンを使用していました。^{[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、暗い部屋で顕微鏡で見ると肉眼で見ることができ、この装置はスピンタリスコープと呼ばれていました。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。シンチレータは、1944年にカランおよびベイカーが肉眼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されました。これが現代のシンチレーション検出器の誕生でした。^[2]

シンチレータは、米国政府によって国土安全保障の放射線検出器として使用されています。シンチレータは、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、コンピューター断層撮影、ガス探査にも使用できます。シンチレータの他の用途には、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やテレビの画面などがあります。シンチレータは、たと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 ] ^。

シンチレータと光電子増倍管の組み合わせは、放射能汚染の検出と測定、核物質の監視に使用される携帯型サーベイメータで広く使用されています。シンチレータは蛍光管内で光を生成し、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、石油産業でもガンマ線ログの検出器として使用されています。

シンチレータには、高密度、高速動作、低コスト、耐放射線性、製造能力、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。高密度により、高エネルギーγ 量子および電子用のシャワーの材料サイズが縮小されます。低エネルギー γ 線のコンプトン散乱光子の範囲も、高密度材料によって減少します。これにより、検出器の高度なセグメンテーションが実現し、空間分解能が向上します。通常、高密度材料は格子内に重イオン（鉛、カドミウムなど）を持ち、光電効果（約 Z ⁴ ）の寄与が大幅に増加します 。光子分率の増加は、陽電子放出断層撮影などの一部の用途で重要です。電離放射線の電磁成分に対する高い阻止能には、より大きな光子分率が必要です。これにより、コンパクトな検出器が可能になります。スペクトルの良好な分解能を得るには、高速動作が必要です。シンチレーション検出器による時間測定の精度は、√τ sc_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重要です。高密度で応答時間が速いため、粒子物理学におけるまれなイベントを検出できます。シンチレータの材料に蓄積され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 量子、イオンは、応答を測定すると、それぞれ異なる傾きを持ちます。したがって、シンチレータは、混合放射線の束内のさまざまな種類の γ 量子と粒子を識別するために使用できます。シンチレータのもう 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には、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が必要です。材料に費用がかかるだけでなく、多くの結晶には高価な炉と、ほぼ 6 か月の成長と分析の時間が必要です。現在、製造コストを削減するために、他のシンチレータが研究されています。^[5]

優れた検出器シンチレータには、他にも次のような特性が求められます。ガンマ出力が低いこと (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)、シンチレーション光自体が透過すること (良好な光収集のため)、調査対象の放射線を効率的に検出できること、阻止能が高いこと、広範囲のエネルギーにわたって直線性が高いこと、立ち上がり時間が短いこと (同時測定など)、検出器のデッドタイムを減らして高いイベント率に対応できること (減衰時間が短いこと (検出器のデッドタイムを減らして高いイベント率に対応できること)、既存の PMT のスペクトル感度と一致するスペクトル範囲での発光 (波長シフタが使用される場合もあります)、ガラスの屈折率に近いこと (≈1.5) で PMT ウィンドウとの結合が最適になることなどです。振動や高温への耐性が必要な場合 (石油探査など) は、耐久性と高温下での良好な挙動が望ましい場合があります。シンチレータ材料の実際の選択は、通常、特定のアプリケーションに最適な特性を妥協して行います。

上記の特性のうち、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 (効率は、検出された粒子と検出器に衝突する粒子の総数の比率です。エネルギー分解能は、特定のエネルギー ピークの最大値の半分における全幅とピーク位置の比率で、通常は % で表されます)。光出力は、入射粒子または光子の種類とそのエネルギーに大きく左右されるため、特定の用途に使用されるシンチレーション材料の種類に大きく影響します。消光効果があると、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]しかし、検出器の全体的な信号生成効率は、 PMTの量子効率（通常、ピーク時で約30％）と光透過および収集の効率（シンチレータと光ガイドを覆う反射材の種類、光ガイドの長さ/形状、光吸収などによって異なる）にも依存します。光出力は、多くの場合、蓄積されたエネルギー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)の場合は≈40光子/keV 、プラスチックシンチレータの場合は約10光子/keV、ビスマスゲルマニウム酸（BGO）の場合は約8光子/keVです。

シンチレーション検出器は一般に線形であると想定されています。この想定は、次の 2 つの要件に基づいています。(1) シンチレータの光出力は入射放射線のエネルギーに比例する。(2) 光電子増倍管によって生成される電気パルスは放出されるシンチレーション光に比例する。線形性の想定は、通常は良好な大まかな近似値ですが、偏差が発生することもあります (特に低エネルギーの陽子よりも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（ワイヤーラインロギング、掘削中の測定）などの用途では特に重要です。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、室温用途ではほとんど無視できます。また、有機シンチレータの温度依存性は、NaI-TlやBGOなどの無機結晶よりも弱いです。BGOシンチレータの減衰時間の温度に対する強い依存性は、真空環境での温度の遠隔監視に使用されます。^[8]結合型PMTも温度感受性を示し、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、高振動の用途には高温耐性PMTを使用する必要があります。

1回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数Nの時間的変化は、1つまたは2つの指数関数的減衰の線形重ね合わせで記述できることが多い。2つの減衰の場合、次の式で表される: ^[1]

$${\displaystyle N=A\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{f}}}\right)+B\exp \left(-{\frac {t}{{\tau }_{s}}}\right)}$$

ここで、τ _fとτ _{s は}、高速（または即発）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、つまり 1 つが高速（または即発）で、もう 1 つが低速（または遅延）であることを特徴とする。高速成分が通常支配的ですが、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よって異なります。これらの成分は両方とも、エネルギー損失dE / dxの関数になることもあります。このエネルギー損失への依存性が強い場合、全体的な減衰時間定数は入射粒子の種類によって異なります。このようなシンチレータでは、パルス形状の識別、つまり PMT 電気パルスの減衰特性に基づく粒子識別が可能です。たとえば、BaF _{2 を}使用すると、γ 線は通常高速成分を励起し、α 粒子は低速成分を励起するため、PMT 信号の減衰時間に基づいてそれらを識別できます。

有機シンチレーターは、様々な方法で連結されたベンゼン環構造を含む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]（C
₁₄H
₁₀、減衰時間 ≈ 30 ns)、スチルベン^[10] ( C
₁₄H
₁₂、4.5 nsの減衰時間）、ナフタレン（C
₁₀H
₈アントラセンは、非常に耐久性に優れていますが、応答が異方性があり（光源がコリメートされていない場合はエネルギー分解能が損なわれます）、機械加工も大型化も難しいため、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の中で最も高い光出力を持っているため、基準として選ばれています。他のシンチレータの光出力は、アントラセンの光出力のパーセンテージとして表されることがあります。^[11]

これらは、1つまたは複数の有機シンチレーターを有機溶媒に溶解した溶液です。典型的な溶質は、p-テルフェニル（C
₁₈H
₁₄）、PBD（C
₂₀H
₁₄いいえ
₂O）、ブチルPBD（C
₂₄H
₂₂いいえ
₂O）、PPO（C
₁₅H
₁₁NO ）、およびPOPOP（C
₂₄H
₁₆いいえ
₂O）。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、デカリンです。液体シンチレータには、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自体の中性子検出効率を高めるための¹⁰ Bなどの添加剤を簡単に添加できます( ^{10 B は}熱中性子との相互作用断面積が大きいため)。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ため、溶液を酸素のない気密容器に密封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、蛍光体と呼ばれる主要な蛍光エミッターが固体ポリマーマトリックスであるベースに懸濁しているシンチレーション材料を指します。この結合は、通常、バルク重合の前に蛍光体を溶解することによって達成されますが、多くの Li6 プラスチックシンチレーターの場合のように、蛍光体が共有結合または配位結合によってポリマーと直接結合されることもあります。ポリエチレンナフタレートは、添加物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と期待されています。^[14]プラスチックシンチレーターの利点には、かなり高い光出力と、減衰時間が 2～4 ナノ秒の比較的速い信号が含まれますが、おそらくプラスチックシンチレーターの最大の利点は、金型やその他の手段を使用して、多くの場合高い耐久性を備えたほぼあらゆる希望の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ときに光出力が飽和することが知られている（バークスの法則）。

プラスチックシンチレーターに最もよく使用されるベースは芳香族プラスチック、つまりポリマー骨格に沿ってペンダント基として芳香族環を持つポリマーであり、その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、その収量が低く、自身の放射に対する透過性が無視できるため、実用的なシンチレーターの構築には蛍光体の使用が不可欠です。^[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過性と機械的特性、および脆さに対する高い耐久性です。PMMA に関連する蛍光の欠如は、芳香族共溶媒 (通常はナフタレン) を追加することで補われることがよくあります。このように PMMA をベースにしたプラスチックシンチレーターは、自身の放射に対する透過性を誇り、均一な光の収集に役立ちます。^[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、2,4-ジメチル、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、およびこれらと他の塩基の共重合体が挙げられる。^[15]

発光体としても知られるこれらの化合物は、塩基のシンチレーションを吸収し、より長い波長で放射し、塩基の紫外線をより簡単に伝達できる可視光に効果的に変換します。減衰長をさらに長くするには、スペクトル シフターまたはコンバーターと呼ばれる 2 番目の蛍光体を追加することで実現でき、多くの場合、青色または緑色の光が放射されます。

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、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）が含まれます。^[17]

無機シンチレータは通常、高温炉で成長した結晶で、たとえばアルカリ金属 ハロゲン化物で、少量の活性不純物が含まれることが多い。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ある。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)がある。非アルカリ結晶には、BGO、BaF などがある。
₂、CaF
₂(Eu)、 ZnS(Ag)、 CaWO
₄、CdWO
₄、YAG(Ce) ( Y
₃アル
₅お
₁₂(Ce)）、GSO、LSO。（その他の例については、リン光体も参照）。^[18]

新たに開発された製品にはLaCl
₃(Ce)、セリウムを添加した塩化ランタン、およびセリウムを添加した臭化ランタン、LaBr
₃（Ce）。どちらも吸湿性が非常に高い（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（LaBrの場合63光子/ keV γ）を備えている。
₃(Ce) の38 光子/keV γ に対してNaI(Tl)）、高速応答（LaBr
₃(Ce) は1.5 ns で、 NaI(Tl)は 230 ns である^[10]）、優れた直線性、広い温度範囲にわたる非常に安定した光出力を特徴とする。さらに、LaBr ₃ (Ce) は γ 線に対するより高い阻止能を提供する（密度は 5.08 g/cm ^3で、 NaI(Tl)は3.67 g/cm ^{3である[10]}）。LYSO ( Lu
_1.8はい
_0.2SiO
₅(Ce) ) は、密度がさらに高く (7.1 g/cm ^{3 、} BGOに匹敵)、非吸湿性で、BGOよりも光出力が高く (32 光子/keV γ)、さらにかなり高速です (減衰時間はBGOの 300 ns に対して 41 ns )。

NaIなど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密閉容器に保管する必要がある。CsI (Tl)とBaF ₂は吸湿性がわずかに低いため、通常は保護の必要がない。CsF、NaI(Tl)、LaCl
₃(Ce)、LaBr
₃（Ce）は吸湿性があり、BGO、CaF
₂(Eu)、LYSO、YAG(Ce)はそうではありません。

無機結晶は、位置感度が得られるように、小さなサイズに切断してアレイ構成で配置することができます。このようなアレイは、X 線や γ 線を検出するために、医療物理学やセキュリティ アプリケーションでよく使用されます。このタイプのアプリケーションでは、通常、高Z、高密度の材料 (LYSO、BGO など) が好まれます。

無機結晶のシンチレーションは、通常、有機結晶よりも遅く、ZnO(Ga)の場合は1.48 ns、 CaWOの場合は9000 nsの範囲です。
₄^[10]例外はCsF（約5ns）、高速BaF
₂（0.7 ns; 遅い成分は630 ns）および新しい製品（LaCl
₃(Ce)、28 ns; LaBr
₃(Ce)、16 ns; LYSO、41 ns)。

イメージング用途において、無機結晶の利点の1つは、非常に高い光収率である。662 keVで100,000光子/MeVを超える高光収率シンチレータが、ごく最近LuIで報告されている。
₃(Ce)、SrI
₂(Eu)、およびCs
₂塩化ハフニウム
₆。

半導体シンチレータ蛍光体はZnS(Ag)（歴史の項で言及）、CdS(Ag)、ZnO(Zn)、ZnO(Ga)、CdS(In)、ZnSe(O)、ZnTe(O)など多数知られているが、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失してしまう。^[19]

GaAs(Si,B)は最近発見された極低温半導体シンチレータで、赤外線で高い光出力を持ち、残光がないようです。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希少な低エネルギー電子励起を検出する実験のターゲットとなります。^{[20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]}

気体シンチレータは窒素と希ガスの 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る。シンチレーションのプロセスは、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ある。この脱励起は非常に高速（約 1 ns）であるため、検出器の応答は非常に高速である。これらのガスは通常紫外線で放射し、PMT は可視青緑色領域によく反応するため、容器の壁を波長シフターでコーティングすることが一般的に必要である。原子核物理学では、気体検出器は核分裂片または重荷電粒子の検出に使用されている。^[27]

最も一般的なガラスシンチレータは、セリウム活性化リチウムまたはホウ素ケイ酸塩です。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、ガラス検出器は熱（低速）中性子の検出に特に適しています。リチウムは中性子を捕獲する際により大きなエネルギーを放出し、したがってより大きな光出力を持つため、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は電子とγ線にも敏感です（パルス高の識別は粒子の識別に使用できます）。非常に堅牢であるため、過酷な環境条件にも適しています。応答時間は約10ナノ秒ですが、光出力は低く、通常はアントラセンの約30％です。^[11]

陽子線照射下での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^[28]、エネルギー分解能は低いものの、最初のγ線パルス高スペクトルが2007年に報告されました（（C
₆H
₅（CH
₂）
₂NH
₃）
₂臭化鉛
₄）は2008年にvan Eijkらによって発表された。^[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。MAPbBr ₃（CH
₃NH
₃臭化鉛
₃）は550 nmで発光し、MAPbI ₃（CH
₃NH
₃PbI
₃）が750 nmで観測され、これは化合物のバンドギャップ付近での励起子放出によるものである。この第一世代のPbハロゲン化物ペロブスカイトでは、放出は室温で強く消光され、1 000 ph/MeV未満しか残存しない。しかし10 Kでは強い放出が観測され、^[30]は最大200 000 ph/MeVに達すると記している。この消光は、励起子のeh結合エネルギーが小さいためであり、Cl、Br、Iの順に減少する。^[31]興味深いことに、有機MA基をCs+で置き換えて、完全な無機CsPbX ₃ハロゲン化物ペロブスカイトを得ることができる。Cl、Br、I含有量に応じて、三重項X線励起励起子放出を430 nmから700 nmに調整することができる。^[32]同様の調整を得るためにCsをRbで希釈することもできる。上記のごく最近の開発により、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がさまざまな興味深いシンチレーション特性を持つことが実証されています。しかし、光収量が10,000～40,000 ph/MeVで、室温での減衰時間が10ns未満の最近の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と比較して最大200nmのストークスシフトを持つ可能性があるため、より有利であり、これはシンチレータの自己再吸収を防ぐために不可欠です。

最近では、Biwu Ma教授の研究グループによって初めて報告された新しい材料クラスは、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）と呼ばれています。^[33]このクラスの材料は、数百meVの強力な励起子結合を示し、その結果、ほぼ1の高い発光量子効率をもたらします。大きなストークシフトと再吸収のない特性により、これらは望ましいものです。^[33]同じグループや他のグループによって、シンチレーターへの潜在的な用途が報告されています。^{[34] [35]} 2020年には、(C38H34P2)MnBr4が、従来の全無機物と比較してZが低いにもかかわらず、最大80 000 Photon/MeVの光収量を持つことが報告されました。^[34]他の0D OMHHからの印象的な光収量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、応答時間がマイクロ秒単位で比較的長いという制限があり、これは現在集中的に研究されている分野です。

分子の自由価電子による遷移は、有機結晶におけるシンチレーション光の生成に関与している。^[9]これらの電子は、特定の原子ではなく分子全体に関連付けられており、いわゆる -分子軌道を占めている。基底状態S _0は一重項状態であり、その上に励起一重項状態 (S ^*、S ^**、...)、最低三重項状態(T ₀ )、およびその励起レベル (T ^*、T ^**、...) がある。分子の振動モードに対応する微細構造は、これらの電子レベルのそれぞれに関連付けられている。電子レベル間のエネルギー間隔は ≈1 eV であり、振動レベル間の間隔は電子レベルの間隔の約 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る。一重項励起は、放射線を放出することなく（内部劣化）、直ちに（< 10 ps）S ^{*状態に崩壊する。その後、S *}状態はシンチレーション光子を放出することにより、基底状態 S _{0 （通常は S 0}より上の振動準位の 1 つ）に崩壊する。これが即発成分または蛍光である。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低いためである（遷移は通常、S ₀より上の振動準位である）。^{[36] [説明が必要]}

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直ちにT _{0状態に崩壊する（内部分解）。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}分子と相互作用することによって崩壊する： ^[36]

$${\displaystyle T_{0}+T_{0}\rightarrow S^{*}+S_{0}+{\text{光子}}}$$

そして、分子の 1 つを S ^*状態のままにして、シンチレーション光子を放出しながらS _{0に崩壊します。T 0} -T ₀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。これが遅いまたは遅延された要素です (遅延蛍光に対応)。場合によっては、直接の T ₀  → S _{0遷移が発生し (これも遅延します)、}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 ^*  → S ₀遷移と T ₀  → S _{0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を形成することができる。シンチレーションのプロセスは有機結晶の場合（上記）と同じであるが、異なるのはエネルギー吸収のメカニズムである。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る（伝達の詳細は明確に理解されていない）。^[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、有機シンチレータ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、価電子帯に関連付けられた正孔が残る。不純物は禁制帯に電子準位を生成する。励起子は緩く結合した電子-正孔対であり、結晶格子中をさまよい、不純物中心によって全体として捕捉されるまで続く。後者は、シンチレーション光（高速成分）を放出することにより急速に脱励起する。活性剤不純物は通常、放出される光が可視範囲または光電子増倍管が有効な近紫外線になるように選択される。伝導帯の電子に関連付けられた正孔は、伝導帯とは無関係である。これらの正孔と電子は不純物中心によって次々に捕獲され、励起子がアクセスできない特定の準安定状態を励起します。これらの準安定不純物状態の遅延脱励起により、再びシンチレーション光（遅い成分）が発生します。

BGO（ビスマスゲルマニウム酸化物）は、活性不純物を含まない純粋な無機シンチレータです。シンチレーションプロセスは、 Biの光遷移によるものです。^3歳以上
イオンは結晶の主成分である。^[6]タングステン酸シンチレータではCaWO
₄およびCdWO
₄放出は自己捕獲励起子の放射崩壊によるものです。

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プロセスは、シリコンのn型ドーピングによって伝導帯の底に非局在化電子が組み込まれる点で、従来のシンチレータとは異なります。^[38]ホウ素不純物原子の一部はヒ素サイトに存在し、アクセプタとして機能します。^[39]ホウ素などのアクセプタ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「凍結」されません。^{1 cm 3あたり}8 × 10 ^{15 個}の自由キャリアが存在するため、相互反発により追加の電子が次に高いエネルギーレベル、つまり伝導帯に移動するため、極低温でも「金属」状態が維持されます。^[41]このプロセスからの光子スペクトルは 930 nm (1.33 eV) を中心とし、他のマイナープロセスからは 860、1070、1335 nm を中心とする 3 つの発光帯があります。^[42]これらの発光帯はそれぞれ輝度と減衰時間が異なります。^[43]この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、1 cm あたり数個の狭ビーム赤外線吸収係数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計算によると、この高い光度は、狭いビーム吸収の大部分が、実際には約5 x 10 ⁻¹⁸ cm ²の断面積を持つ伝導電子による新しい光散乱であり、シンチレーション光子が全反射を逃れることができるためであるとすれば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倍ですが、金属鏡における伝導電子の光学的断面積に匹敵します。

ガス中では、シンチレーションのプロセスは、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って起こります (非常に高速なプロセス: ≈1 ns)。

シンチレーションカウンターは通常、次の3つの理由から重イオンの検出には適していません。 ^[49]

1. 重イオンの非常に高い電離力は消光効果を引き起こし、光出力を減少させます（例えば、同じエネルギーの場合、陽子は電子の1/4から1/2の光を生成しますが、アルファは約1/10の光しか生成しません）。
2. 粒子の阻止能が高いため、遅い成分に比べて速い成分が減少し、検出器のデッドタイムが増加します。
3. 特に低エネルギーでは、検出器の応答に強い非線形性が観察されます。

有機結晶は無機結晶よりも光出力の減少が大きい。そのため、必要に応じて無機結晶、例えばCsI(Tl)、ZnS(Ag)（典型的にはα粒子モニターとして薄いシートで使用される）、CaF
₂(Eu) は有機材料よりも優先されるべきです。代表的な用途は、α調査機器、線量測定機器、重イオンdE / dx検出器です。気体シンチレータは、原子核物理学の実験でも使用されています。

電子の検出効率は、ほとんどのシンチレータで基本的に 100% です。しかし、電子は大角度散乱(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投入せずに検出器から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の関数として急速に増加します。したがって、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。高エネルギー電子は、高エネルギーでは制動放射線によってエネルギーをほとんど失うため、制動放射線光子の検出と、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]

高Z物質、例えば無機結晶は、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 3 つの基本的な方法は、光電効果、コンプトン散乱、および対生成です。光電効果と対生成では光子が完全に吸収されますが、コンプトン散乱では部分的なエネルギーのみが蓄積されます。光電過程の断面積はZ ⁵に比例し、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になります。したがって、高Z物質は前者の 2 つの過程を促進し、ガンマ線の全エネルギーを検出できるようにします。^[50]ガンマ線のエネルギーが高い場合 (>5 MeV)、対生成が優勢になります。

中性子は電荷を帯びていないため、クーロン力を介して相互作用することはなく、したがってシンチレーション材料をイオン化しません。まず、強い力を介してエネルギーの一部またはすべてを荷電原子核に移動する必要があります。次に、正に帯電した原子核がイオン化を引き起こします。高速中性子（一般に0.5 MeV以上^[6]）は主に（n,p）反応の反 跳陽子に依存しているため、プラスチックシンチレータなどの水素を多く含む材料が高速中性子の検出に最適です。低速中性子は、（n,γ）または（n,α）反応などの核反応を利用してイオン化を引き起こします。したがって、シンチレータ材料に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、低速中性子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リストです。

• バフ
  ₂またはフッ化バリウム：BaF
  ₂非常に高速な成分と低速な成分が含まれています。高速シンチレーション光は UV 帯域 (220 nm) で放射され、減衰時間は 0.7 ns (シンチレータの減衰時間としては最小) ですが、低速シンチレーション光はより長い波長 (310 nm) で放射され、減衰時間は 630 ns です。これは、高速タイミング アプリケーションや、パルス形状の識別が必要なアプリケーションに使用されます。BaF
  ₂約12光子/keVである。^[52] BaF
  ₂吸湿性はありません。
• BGOまたはゲルマニウム酸ビスマス: ゲルマニウム酸ビスマスはNaI(Tl)よりも阻止能は高いが、光学収率は低い。陽電子放出断層撮影装置で陽電子消滅時に放出される連続ガンマ線を検出するための同時計数検出器でよく使用される。
• ＣｄＷＯ
  ₄またはタングステン酸カドミウム：高密度、高原子番号シンチレータで、減衰時間が非常に長く（14μs）、光出力が比較的高い（NaI(Tl)の約1/3 ）。CdWO
  ₄X 線検出 (CT スキャナー) に日常的に使用されています。228 Th と^{226 Raの}汚染が非常に少ないため、低放射能計数アプリケーションにも適しています。
• フッ化カルシウム
  ₂(Eu)またはユーロピウムを添加したフッ化カルシウム: この物質は吸湿性がなく、崩壊時間は 940 ns で、Zは比較的低い。後者の特性により、後方散乱が低いため低エネルギー β 粒子の検出には理想的であるが、γ 検出にはあまり適していない。CaF の薄層
  ₂(Eu) は、より厚いNaI(Tl)スラブと組み合わせて使用​​され、α、β、γ 粒子を識別できるホススイッチも作成されています。
• カオ
  ₄またはタングステン酸カルシウム：9μsの長い減衰時間と420nmで最大値を示す短波長発光を示し、バイアルカリPMTの感度曲線と一致します。^[7]シンチレータの光収量とエネルギー分解能（^{137Csの場合6.6％）は}CdWOのそれに匹敵します。
  ₄. ^[53]
• CsI：ドープされていないヨウ化セシウムは主に315nmで発光し、わずかに吸湿性があり、減衰時間が非常に短い（16ns）ため、高速タイミングアプリケーションに適しています。光出力は室温では非常に低いですが、冷却すると大幅に増加します。^[54]
• CsI(Na)またはナトリウムを添加したヨウ化セシウム: 結晶の明るさはCsI(Tl)より低いが、光出力はNaI(Tl)に匹敵する。最大発光波長は 420 nm で、バイアルカリ PMT の光電面感度とよく一致する。減衰時間はCsI(Tl)よりわずかに短い ( CsI(Tl )の 1000 ns に対して 630 ns )。CsI (Na) は吸湿性があり、湿気から保護するために気密容器が必要である。
• CsI(Tl)またはタリウムを添加したヨウ化セシウム: これらの結晶は最も明るいシンチレーターの 1 つです。最大発光波長は 550 nm の緑色領域にあります。CsI (Tl) はわずかに吸湿性があり、通常は密閉容器を必要としません。
• GaAs またはガリウムヒ素 (シリコンとホウ素の不純物が適切にドープされている) は、低温バンドギャップ (1.52 eV) が低く、赤外線 (930 nm) で高い光出力 (100 光子/keV) を持つ低温n型半導体シンチレータです。熱刺激発光がないことは残光がない証拠であり、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のに適しています。大型 (5 kg) の高品質結晶は、電子用途向けに商業的に製造されています。
• グッド
  ₂お
  ₂Sまたはガドリニウム酸硫化物は、比較的高い密度 (7.32 g/cm ^{3 ) と}ガドリニウムの原子番号が高いため、阻止能が高くなります。光出力も良好で、X 線イメージング用途のシンチレーターとして有用です。
• 臭化ラジウム
  ₃(Ce) (またはセリウムを添加した臭化ランタン): NaI(Tl)のより優れた (新しい) 代替品。より高密度で、より効率的で、はるかに高速 (減衰時間は約 20 ナノ秒) で、非常に高い光出力により優れたエネルギー分解能を提供します。さらに、光出力は非常に安定しており、非常に広い温度範囲にわたって非常に高いため、高温用途に特に適しています。用途によっては、¹³⁸ La の固有の活性が欠点となる場合があります。LaBr
  ₃(Ce) は非常に吸湿性が高いです。
• 塩化ラジウム
  ₃(Ce) (またはセリウムを添加した塩化ランタン): 非常に高速で、高い光出力。LaCl
  ₃(Ce)はLaBrのより安価な代替品である
  ₃（Ce）吸湿性もかなりあります。
• ピービーオー
  ₄またはタングステン酸鉛：その高Zのため、PbWO
  ₄高い阻止能が求められる用途（γ線検出など）に適しています。
• ルイ
  ₃またはヨウ化ルテチウム。
• LSOまたはオキシオルトケイ酸ルテチウム ( Lu
  ₂SiO
  ₅):陽電子放出断層撮影に使用されます。これは、ゲルマニウム酸ビスマス ( BGO ) に似た特性を示しますが、光収量が高いためです。唯一の欠点は、天然の¹⁷⁶ Luのベータ崩壊による固有のバックグラウンドです。
• LYSO (ル
  _1.8はい
  _0.2SiO
  ₅(Ce) ): 密度はBGOに匹敵しますが、はるかに高速で、光出力がはるかに高く、医療用画像処理アプリケーションに最適です。LYSOは非吸湿性です。
• NaI(Tl)またはタリウムを添加したヨウ化ナトリウム: NaI(Tl)は、これまでで最も広く使用されているシンチレータ材料です。単結晶またはより頑丈な多結晶 (石油産業のワイヤーライン伐採など、高振動環境で使用) の形で入手できます。その他の用途には、核医学、基礎研究、環境モニタリング、航空調査などがあります。NaI (Tl) は吸湿性が非常に高いため、気密容器に収納する必要があります。
• YAG(Ce)またはイットリウムアルミニウムガーネット: YAG(Ce)は非吸湿性です。最大発光波長は 550 nm で、赤色抵抗 PMT またはフォトダイオードによく適合します。比較的高速です (減衰時間 70 ns)。光出力はNaI(Tl)の約 1/3 です。この材料は、電子顕微鏡用途に特に魅力的な特性 (高い電子変換効率、優れた解像度、機械的耐久性、長寿命など) を備えています。
• ZnS(Ag)または硫化亜鉛: ZnS(Ag)は、古い無機シンチレータの 1 つです (ウィリアム クルックス卿(1903 年) によるシンチレータを使用した最初の実験では、ZnS スクリーンが使用されました)。ただし、多結晶粉末としてのみ入手可能です。そのため、その用途は主に α 粒子の検出に使用される薄いスクリーンに限定されます。
• 亜鉛
  ₄またはタングステン酸亜鉛はCdWOに似ている
  ₄25 μs の長い減衰定数とわずかに低い光収量を示すシンチレータ。

• ガンマ分光法
• 液体シンチレーション計数
• シンチレーションカウンター
• シンチレーションボロメータ
• 中性子検出
• 全吸収分光法