シンチレーション検出器と半導体検出器（スペクトルの読み方とエネルギー分解能）

前回は、気体の電離を使う検出器を見ました。今回は残る2つ——発光を使うシンチレーション検出器と、固体の中で直接電気を作る半導体検出器です。

この2つは、核医学のガンマカメラやPET、そしてγ線のスペクトル測定を支えている主役です。そして国家試験では、スペクトルのグラフを読ませる問題が繰り返し出ます。ピークの名前を暗記するのではなく、どこに出るかを計算で確かめられるようにしておくのが近道です。

シンチレーション検出器：いったん光に変える

シンチレータは、放射線が当たるとごく弱い光を出す物質です。この光を光電子増倍管（PMT） に導きます。

PMTの中では、まず光電陰極で光が電子に変わります。その電子をダイノードという電極に次々ぶつけていくと、1段ごとに電子が増えていき、全体で約100万倍に増幅されます。最終的に、入射エネルギーに比例した高さの電気パルスが得られます。

近年は、PMTのかわりに SiPM（シリコン光電子増倍素子）を使うことも増えました。小型・低電圧で、磁場の影響を受けないのが利点で、MRIと同時に撮影できるPET（PET/MRI） はこれによって実現しました。

シンチレータの使い分け

シンチレータ	種類	特徴	おもな用途
NaI(Tl)	無機	発光量が大きく安価。潮解性がある	ガンマカメラ、サーベイメータ
CsI(Tl)	無機	発光量が大きい。潮解性はわずか	X線検出器（FPD）、CT
BGO	無機	実効原子番号が高く阻止能が大。発光量は小	PET
LSO・LYSO・GSO	無機	減衰時間が短い（速い）	PET（時間分解能が要る）
プラスチック	有機	安価・大面積にできる。β線向き	表面汚染モニタ、体表面汚染検査
液体シンチレータ	有機	試料を溶かし込める。低エネルギーβ線向き	³H・¹⁴C のバイオアッセイ

覚えておくべき対比が2つあります。

無機 vs 有機 … 無機は原子番号が高く、γ線の測定に向く。かわりに減衰時間が長い（遅い）。有機は原子番号が低く、β線向きで、減衰時間が短い（速い）。

NaI(Tl)の潮解性 … NaI（ヨウ化ナトリウム）は塩の一種なので、空気中の水分を吸って溶けてしまいます。だからアルミ容器に密封して使い、容器に傷や隙間ができると結晶が白濁して性能が落ちます。取り扱いで最も注意すべき点です。

γ線スペクトルの読み方

スペクトル問題は、目印になるピークの正体をエネルギーの値から確定させていくと迷いません。

光電ピーク（全エネルギー吸収ピーク） … 入射したγ線のエネルギーがすべて検出器に吸収されたとき。入射エネルギーそのものの位置に、いちばん鋭く高いピークとして出ます。

コンプトン端 … コンプトン散乱で、光子が180°散乱されたとき、電子が受け取るエネルギーが最大になります。その最大値の位置になだらかな肩ができます。光電ピークより低いところです。

$$E_{\text{コンプトン端}} = \frac{E_0 \cdot \dfrac{2E_0}{m c^2}}{1 + \dfrac{2E_0}{m c^2}}$$

後方散乱ピーク … 検出器の外側（遮へい体や容器）で180°散乱された光子が入ってきたもの。低エネルギー側の小さな山として現れます。

エスケープピーク … 入射光子が検出器の中で電子対生成を起こすと、消滅放射線（0.511 MeV）が2本できます。その1本が検出器の外へ逃げると、逃げた分だけ足りないピークが現れます。

$$E_{\text{シングルエスケープ}} = E_0 - 0.511\ \text{MeV}$$

2本とも逃げればダブルエスケープピーク（$E_0 - 1.022$ MeV）です。

サムピーク … 2本の光子が同時に入って足し合わされたもの。2本のエネルギーの和の位置に出ます。

半導体検出器：光に変えず、いきなり電気にする

半導体検出器の原理は、実は気体検出器とよく似ています。気体のかわりに固体の結晶を使い、イオン対のかわりに電子-正孔対を作るだけです。光に変える段階がありません。

pn接合に逆バイアスをかけると、キャリアのない空乏層ができます。ここが検出部です。放射線が通ると電子-正孔対ができ、電子は＋電極へ、正孔は−電極へ移動して電流になります。

1対つくるのに必要なエネルギー ε は、Si で約 3.6 eV、Ge で約 2.9 eV です。気体のW値（約34 eV）の10分の1以下という点が、あとで効いてきます。

種類と使い分け

• Si（シリコン） … 線量計、X線検出器、SiPM。室温で動作
• 高純度Ge（ゲルマニウム） … γ線スペクトル測定の最高峰。ただし液体窒素での冷却が必要
• CdTe・CZT（テルル化カドミウム系） … 半導体ガンマカメラ、小型機。室温で動作

半導体の弱点も押さえておきます。放射線損傷——結晶格子に欠陥が蓄積して性能が劣化する——は、半導体検出器の宿命的な欠点です。

なぜ半導体はエネルギー分解能が高いのか

ここが半導体検出器のいちばん大事な話です。

放射線のエネルギーは、検出器の中で信号の粒（イオン対・光電子・電子正孔対）に変換されます。この粒の数には統計的なばらつきがあり、粒が $N$ 個できるとき、ばらつきはおよそ $\sqrt{N}$、相対的なばらつきは $1/\sqrt{N}$ になります。

つまり、粒がたくさんできる検出器ほど、ピークが細く鋭くなります。

1 MeV のエネルギーで作られる粒の数を比べてみます。

検出器	1個つくるのに必要なエネルギー	1 MeV でできる数
気体	W ＝ 約 34 eV	約 2.9 万個
NaI(Tl)＋PMT	実質的に約 100 eV	約 1 万個（最も少ない）
Si	ε ＝ 3.6 eV	約 28 万個
Ge	ε ＝ 2.9 eV	約 34 万個（最も多い）

結果として、エネルギー分解能はこうなります。

• NaI(Tl) … 約 7〜10%
• CdTe・CZT … 約 5〜6%
• 高純度Ge … 約 0.2%

なお分解能の数値は、測るエネルギーによって変わります（低いエネルギーほど悪くなる）。ここに挙げたのは国家試験で問われる目安の値です。

Geが桁違いに優れているのは、ε値が小さくて粒がたくさんできるからです。逆にシンチレータが劣るのは、光に変える段階で数が減ってしまう（PMTの量子効率は20%程度）ためです。

まとめ

• シンチレーション検出器＝放射線 → 光 → 電子 → 増幅 → 電気パルス。光電子増倍管は約100万倍に増幅する
• 光電子増倍管はシンチレーション検出器だけの部品。比例計数管にも半導体検出器にも不要
• SiPMは小型・低電圧で磁場の影響を受けない。だからPET/MRIが実現した
• シンチレータは無機＝原子番号が高くγ線向き・減衰時間が長い、有機＝原子番号が低くβ線向き・減衰時間が短い
• NaI(Tl) は潮解性がある（塩なので水分を吸う）。発光量が大きく安価なのでガンマカメラの主役
• BGOは阻止能が大きい、LSO・LYSOは速い。どちらもPET用
• スペクトルは光電ピーク＝入射エネルギーそのもの、コンプトン端＝180°散乱で電子が得る最大エネルギー、後方散乱ピーク＝外で180°散乱された光子
• エスケープピーク＝光電ピーク − 0.511 MeV（ダブルなら −1.022 MeV）、サムピーク＝2本の和
• 半導体検出器＝空乏層で電子-正孔対を作り、そのまま集める。光に変えない
• ε値は Si 3.6 eV・Ge 2.9 eV。気体のW値（34 eV）の10分の1以下
• 粒が多いほどばらつきが小さい（相対ばらつき ＝ $1/\sqrt{N}$）から、Geのエネルギー分解能は約0.2% と桁違いによい
• CZTは室温動作・小型・高分解能。冷却が必要なのは高純度Geだけ
• 半導体の弱点は放射線損傷と、大きな結晶を作りにくいこと

次回は、いよいよ線量そのものの測定です。照射線量から空気カーマへの換算、ブラッグ・グレイの空洞理論、標準計測法12の基準条件と各種の補正係数を扱います。

過去問での問われ方は、過去問解説の記事一覧や国家試験まとめから確認できます。