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プラスチックシンチレーション物質において、定説の蛍光原理では説明できない光子の増幅放出を観測

2012年12月28日

 中村秀仁 原子炉実験所助教(独立行政法人放射線医学総合研究所客員研究員・ 千葉市科学都市戦略専門委員)、高橋千太郎 副所長・教授、白川芳幸 独立行政法人放射線医学総合研究所 研究基盤技術部長、北村尚 同係長、新治修 株式会社クラレ新潟事業所・メタアクリル開発部グループリーダー、斎藤堅 同部員らの研究チームは、ポリスチレンをベースにしたシンチレーション物質において、定説の蛍光原理では説明できない光子の増幅放出を観測しました。また、その光子の数は、ポリスチレンに添加した蛍光剤の濃度のべき乗関数に従い増加することを明らかにしました。

 本研究成果は、自然環境放射能・放射線測定や素粒子・原子核実験などに幅広く使用され、今後の応用も期待されているプラスチックシンチレーション物質の蛍光原理に、新たな解釈を要求しています。また、高性能な放射線検出器の開発につながるものと期待されています。

 本研究成果は、2012年12月28日(米国時間)に、米国物理学協会速報誌「Applied Physics Letters」に掲載されました。

背景

 放射線を高い感度で検出するため、幅広い分野で、プラスチックに蛍光剤を添加したプラスチックシンチレーション物質が使われています。その蛍光原理は、20世紀中頃に確立された蛍光原理で、放射線によりプラスチックで生成された紫外光を、蛍光剤で段階的に可視光へ変換するいわゆる“ladder(梯子)”として説明されています。それは、プラスチックシンチレーション物質の製造の際、プラスチックからの蛍光波長とオーバーラップする吸収波長をもつ蛍光剤を必要としています。

研究手法・成果

 中村助教らは、高性能なプラスチックシンチレーション物質を開発するため、電離放射線を受けて紫外光を放つポリスチレンに注目しました。ここでは定説の必要条件と異なり、ポリスチレンからの蛍光波長とのオーバーラップが小さな吸収波長であるパラターフェニルを蛍光剤として採用しました。

 定説の蛍光原理では、プラスチックで生成された光は、蛍光剤で吸収、再放出されるたびに、減衰します。さらに、ポリスチレンの発光波長とパラターフェニルの吸収波長を考慮すると、ポリスチレンをベースにしたシンチレーション物質から放たれる光子の数は、パラターフェニルの有無に依存せず、蛍光剤を添加しないポリスチレンからの光子の数より少なくなるはずです。

 しかしながら、実際には、ポリスチレンをベースにしたシンチレーション物質から、蛍光剤を添加しないポリスチレンを上まわる数の光子を観測しました(左図)。つまり、新たな光の誕生が示されました。さらに、そのシンチレーション物質からの光子の数は、蛍光剤の濃度(最大5桁の変化)に対し、べき乗関数に従い増加することが明らかになりました(右図)。これらの現象は、現状のプラスチックシンチレーション物質の蛍光原理では説明できず、蛍光原理に新たな解釈を要求しています。

  
図:207Bi線源を用いた光子の測定結果
(左)光子の数と計測数の関係、(右)蛍光剤の濃度と光子の数の関係を示してます。また図中のPSはポリスチレン、PTPはパラターフェニルを示しています。

波及効果

 本研究成果は、自然環境放射能・放射線測定や素粒子・原子核実験などに幅広く使用されているプラスチックシンチレーション物質を用いた放射線検出器の高性能化につながるものです。

 

本研究は、原子炉実験所共同利用・共同研究拠点活動の一環として、独立行政法人放射線医学総合研究所、株式会社クラレの協力のもと行われました。

書誌情報

[DOI] http://dx.doi.org/10.1063/1.4773298

"Development of polystyrene-based scintillation materials and its mechanisms", H. Nakamura, H. Kitamura, O. Shinji, K. Saito, Y. Shirakawa and S. Takahashi, Applied Physics Letters, 101, 261110 (2012).

 

  • 京都新聞(12月30日 20面)に掲載されました。