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シンチレーション検出器（シンチレーションけんしゅつき、英: scintillation detector）とは、シンチレータ（scintillator）^{[注釈 1]}を用いた放射線測定器を言う。

廉価で作ることができる割には計数効率が良いので、広く使用されている。

概要

電離性の放射線の入射により蛍光や燐光を発生する物質をシンチレータ（scintillator）という^[1]。シンチレータは放射線を受けても微弱な光しか発しないが、それを光電子増倍管など^{[注釈 2]}で増幅し大きな電気パルスにすることで放射線を検出することができるようになる。このようにシンチレータの放射線に対する発光性質を利用した放射線検出機器をシンチレーション検出器（scintillation detector）と呼ぶ。

シンチレータの種類に応じて検出器が効率よく測定できる放射線は異なる。例えば、ゲルマニウム酸ビスマス Bi₄Ge₃O₁₂ などの原子番号の大きい元素を含むことから高い電子密度を持つシンチレータを用いるとガンマ線を効率良く検出することができる^{[注釈 3]}。中性子を検出するのであれば、中性子を効率的に散乱させる水素を豊富に含む蛍光物質を用いることで高い効率が得られる。

シンチレーション検出器に用いられるシンチレータとしては以下のようなものがある。

無機シンチレータ：少量の不純物を添加した結晶^{[注釈 4]}
有機シンチレータ：アントラセンなどの有機物
気体シンチレータ：ヘリウム、アルゴン、キセノン、クリプトンなどの希ガス

また、液体状のシンチレータを用いた液体シンチレーション検出器は、通常の検出器では困難である低エネルギーのベータ線を効率的に測定することができる。

シンチレータの発光波長と光電子増倍管の光電面の感度波長が一致するように仕事関数の低いアルカリ金属が受光面に蒸着されており、近年ではMEMSによって小型化されている。バイアルカリ光電面は、アンチモン(Sb)にカリウム(K)、セシウム(Cs)を反応させることにより可視域に感度を持ち、この光電面の分光感度特性は、ヨウ化ナトリウム(NaI(Tl))シンチレータの発光波長と良く一致していることから、シンチレーションカウンティングによる放射線計測などに広く応用され、マルチアルカリ光電面は、アンチモン(Sb)にナトリウム(Na)、カリウム(K)、セシウム(Cs)を反応させることにより、300～850nmまで広い波長域に感度を持ち、分光光度計やバイオ・遺伝子関連分野での蛍光計測など幅広い用途に利用されている^[3]。

ガンマ線分光分析を行う場合は、シンチレータより高いエネルギー分解能を持つ超高純度ゲルマニウム半導体検知器などの半導体検出器が好まれる。

分光計としてのシンチレーション検出器

一般にはシンチレータは、高エネルギー放射線の一個の光子を、多数のより低いエネルギーの光子に変換するのだが、低エネルギー領域では、メガ電子ボルト当たりの光子の数はほとんど一定である。したがって蛍光の強度（光子の数）を測定することによって、入射光子のエネルギーを特定することが可能である。

分光計は、シンチレータ、光電子増倍管、パルス電流の計数回路から成る。光電子増倍管によって光のエネルギーは電流に変換され、その波高から蛍光の強度（光子の数）がわかる。横軸にパルス電流の波高、縦軸をパルス数としたグラフをつくれば、放射線のエネルギースペクトルの近似となる。

入射した放射線のエネルギーに相当する光電ピークが現れる一方、これより低エネルギーにもコンプトン散乱による連続スペクトル、エスケープピーク^{[注釈 5]}、および後方散乱ピークといった応答を示す。また2つ以上の光子が検知器にほとんど同時に入射する（DAQ(データ収集)の時間分解能以内に蓄積する）場合、最大で2つ以上の光電ピークの合計のエネルギーを持つピークが現われたように見えるため、より高いエネルギーが検知されることがある^[4]。

脚注

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注釈

^ よく知られたシンチレータとしては、アンリ・ベクレルによって発見された燐光を発するある種のウラン塩類がある。
^ 小型化・低電圧での使用が求められる場合や、高磁場で光電子増倍管の使用が適さない状況で使用する場合などでは、読み出しにフォトダイオードも使用される。
^ ガンマ線検出器の単位体積当たりの計数効率は検出器中の電子密度に依存する。
^ ヨウ化ナトリウムに微量のタリウムを添加した結晶 NaI(Tl) やヨウ化セシウムに微量のタリウムを添加した結晶 CsI(Tl) またはタリウムのかわりにナトリウムを添加した結晶 CsI(Na) などがある^[2]。
^ ガンマ線のエネルギーが高い場合、検出器内で電子-陽電子対生成が起こることがある。この時生成された陽電子は対消滅により2本のガンマ線を生じる。このうち1本が検出器外に逃げた場合は光電ピークより0.511MeV低いエネルギーにシングルエスケープピーク、2本とも逃げた場合は光電ピークより1.022 MeV低いエネルギーにダブルエスケープピークが生じる