放射線計測の立役者：NaIシンチレータ

放射線計測の立役者：NaIシンチレータ

目に見えない放射線を捉える技術

原子力発電所や医療現場、研究機関など、様々な分野で放射線を扱う際には、安全確保のために目に見えない放射線を正確に計測することが不可欠です。そのために活躍するのがNaIシンチレータと呼ばれる装置です。

NaIシンチレータは、微量のタリウムを含んだヨウ化ナトリウムの結晶を用いて放射線を計測します。物質に放射線の一種であるガンマ線が当たると、物質中の電子はエネルギーを受けて励起状態になります。励起された電子は、元の安定した状態に戻る際に、エネルギーを光として放出します。この現象をシンチレーションと呼びます。

NaIシンチレータは、このシンチレーション現象を利用してガンマ線を計測します。ヨウ化ナトリウム結晶にガンマ線が当たると、結晶はシンチレーション光を発します。この微弱な光を光電子増倍管で増幅し、電気信号に変換することで、ガンマ線のエネルギーや量を測定することができます。

NaIシンチレータは、高い検出効率とエネルギー分解能を備えているため、放射線の測定に広く利用されています。また、比較的小型で取り扱いが容易であることも利点の一つです。ただし、中性子線やベータ線などの他の放射線に対しては感度が低いため、測定対象となる放射線の種類に応じて適切な測定器を選択する必要があります。

NaIシンチレータの仕組み

– ヨウ化ナトリウムシンチレータの仕組み

ヨウ化ナトリウムシンチレータは、放射線の一種であるガンマ線を計測するために用いられる検出器です。

この検出器の心臓部には、ヨウ化ナトリウム（NaI）の結晶が使われています。

ただし、そのままでは効率よく光を発生させることができないため、微量のタリウム（Tl）を添加したものが、NaI(Tl)シンチレータとして広く利用されています。

ガンマ線がNaI(Tl)結晶に入射すると、物質との相互作用によってエネルギーの一部または全部が電子に与えられ、二次電子が発生します。

この相互作用には、光電効果、コンプトン散乱、電子対生成など様々なものが考えられます。

発生した二次電子は、結晶内のヨウ化ナトリウム分子と衝突を繰り返し、分子を励起状態にします。

励起された分子は不安定な状態であるため、再びエネルギーの低い基底状態に戻る際に、励起エネルギーに相当するエネルギーを持った光を放出します。この光をシンチレーション光と呼びます。

NaI(Tl)シンチレータはこのシンチレーション光を検出することで、間接的にガンマ線を計測しています。

シンチレーション光の強度は入射したガンマ線のエネルギーに比例するため、検出器に接続された電子回路によって光の強度を測定することで、ガンマ線のエネルギーを知ることができます。

シンチレーション光の検出と信号変換

放射線を測定するシンチレーション検出器において、シンチレーション物質である NaI(Tl) シンチレータは重要な役割を担っています。NaI(Tl) シンチレータは、ガンマ線などの放射線が照射されると、シンチレーション光と呼ばれる微弱な光を発します。しかし、この光は非常に微弱であるため、直接測定することは困難です。

そこで、光電子増倍管を用いて、シンチレーション光を増幅し、電気信号に変換します。光電子増倍管は、光電効果を利用して、入射した光を電子に変換する装置です。光電子増倍管の内部には、光電面と呼ばれる特殊な電極と、複数段のダイノードと呼ばれる電極が配置されています。

シンチレーション光が光電面に当たると、光電効果によって電子が飛び出します。この電子は、ダイノード間にかかる電圧によって加速され、次のダイノードに衝突します。この衝突によって、さらに多くの電子が飛び出す現象が連鎖的に起こり、最初の電子が数百万倍にも増幅されます。

最終的に、増幅された電子はアノードと呼ばれる電極に集められ、電流パルスとして出力されます。この電流パルスを解析することで、ガンマ線のエネルギーや強度といった重要な情報を得ることができるのです。

NaIシンチレータの利点

ヨウ化ナトリウムシンチレータは、放射線を測定する際に、他の検出器と比べて多くの利点があります。

まず、シンチレーションの減衰時間が非常に短いことが挙げられます。これは、放射線を検出してからシンチレーション光が消えるまでの時間が短いため、高速で放射線を計測できることを意味します。この特性は、原子炉の運転状況を監視したり、医療現場で短時間に放射線を照射する必要がある場合など、リアルタイムでの観測や迅速な対応が必要な場面で非常に役立ちます。

さらに、ヨウ化ナトリウムシンチレータは、発生するシンチレーション光の強さが、吸収されたガンマ線のエネルギーに比例するという性質も持ち合わせています。これは、シンチレーション光の強さを測定することで、入射してきたガンマ線のエネルギーを知ることができるということを意味します。この特性を利用することで、放射線の種類を特定したり、物質中の元素分析を行うことが可能になります。

様々な分野で活躍するNaIシンチレータ

ヨウ化ナトリウム、通称NaIシンチレータは、放射線を測定する上で非常に優れた特性を持つ検出器として、様々な分野で活躍しています。

NaIシンチレータ最大の特徴は、放射線を検知する感度の高さです。微量の放射線にも反応するため、原子力発電所内やその周辺環境における放射線量を監視する環境放射線モニタリングに適しています。原子力発電所から漏洩する放射線は、人体や環境に深刻な影響を与える可能性があるため、NaIシンチレータを用いた厳重な監視体制が求められます。

医療分野においても、NaIシンチレータは重要な役割を担っています。X線やガンマ線を検出し、画像化するSPECT（単一光子放出コンピュータ断層撮影）に用いられることで、心臓や骨、腫瘍などの診断に役立っています。NaIシンチレータは、短時間で鮮明な画像を撮影できるため、患者さんの負担軽減にも繋がっています。

さらに、NaIシンチレータは、持ち運びやすいコンパクトなサイズも大きな利点です。この携帯性の高さから、現場での迅速な放射線測定が可能となり、災害時や事故現場など、様々な場面で活躍しています。

このように、NaIシンチレータは高い感度、測定速度、エネルギー分解能、そして携帯性を兼ね備え、原子力発電、医療、環境放射線測定など、幅広い分野で利用されています。今後も、放射線計測の重要な役割を担うことが期待されます。