Prediction of scintillation light yield based on sub-micrometer radiation transport calculation and Frster effect

放射線輸送シミュレーションによる高分子材料に対する重イオン照射効果の再現

小川 達彦   ; 八巻 徹也*; 佐藤 達彦   

Ogawa, Tatsuhiko; Yamaki, Tetsuya*; Sato, Tatsuhiko

電子線, 線,陽子線,重イオンなどの多様な種類の放射線の検出器として、シンチレータは広く利用されている。シンチレータは基本的に付与されたエネルギーに応じた強さの発光を起こすが、エネルギー付与密度の高い重イオンのような粒子に対しては、発光が抑制される現象(クエンチング現象)が生じることが知られていた。本研究では、シンチレータの発光が入射粒子による蛍光分子の励起によって起こることに加えて、クエンチング現象を起こすメカニズムが蛍光分子間の双極子エネルギー遷移(Frster効果)であると仮定し、蛍光分子の損傷や励起を計算コードRITRACKSを用いた分子スケールの放射線挙動計算で予測して、シンチレータの発光強度を計算した。入射粒子として、0.1MeVから150MeVの陽子、0.1MeVから1MeVの電子をフルストップ厚のNE102シンチレータに入射させ、各種粒子の入射に対する発光量を先行研究の測定値等と比較した。計算結果は、電子入射の場合入射エネルギーと発光量が比例する一方、陽子入射の場合は入射エネルギーに対して発光量が非線形に増加しており、実験値の発光強度を正確に再現することができた。

Scintillators are used for detection of various radiation such as electrons, -rays, protons and heavy ions. Fundamentally, scintillators emit lights depending on the deposition energy, but light yield is suppressed (i.e., quenching) in case of highly ionizing radiation. In this study, light yield of scintillators was calculated based on following assumptions; scintillation is attributed to excitation of phosphor molecules by incident particles, Frster effect by the damaged phosphor molecules is the mechanism responsible for quenching, and excitation and damage of phosphor molecules can be calculated by molecular-scale radiation transport simulation code RITRACKS. Protons from 0.1 MeV to 150 MeV and electrons from 0.1 MeV to 1 MeV were directed to full-stop thick NE102 scintillator as incident particles and the light yield of scintillators was calculated. Both calculated light yields and earlier measurement data showed that the light yield by electrons is proportional to incident energy whereas the light yield by protons increases with increase in incident energy in a non-linearly. Thus the simulation in this study can accurately reproduce the light yield of scintillators in radiation detection.