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Analysis of scintillation light intensity by microscopic radiation transport calculation and F$"{o}$rster quenching model

微視的放射線輸送計算とフェルスタークエンチングモデルに基づくシンチレーション光強度の解析

小川 達彦; 八巻 徹也*; 佐藤 達彦

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

シンチレータは、電子線, $$gamma$$線,陽子,重イオンなどの多様な種類の放射線を検知するために広く利用され、付与されたエネルギー量に応じた光を発する。シンチレータにおいては、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クエンチング現象が起こり、エネルギー付与量と比して発光が少なくなることが知られている。さらに、クエンチング現象は励起した蛍光分子が他の蛍光分子にエネルギーを受け渡すメカニズム(F$"{o}$rster効果)によって発生すると推測されている。そこで本研究では、様々なエネルギー・線種の放射線の照射を受けたシンチレータ内でのエネルギー付与を飛跡構造計算コードRITRACKSや汎用放射線輸送計算コードPHITSのT-SED機能により計算し、励起する蛍光分子の空間配置や量を予測した。この計算結果に基づき、各励起分子に対してF$"{o}$rster効果が発生する確率を計算し、励起した分子のうち発光する分子の数を計算した。その結果、電子入射の場合は入射エネルギーと発光量が比例するが、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、特に低エネルギーの重イオンに対してはその非線形性がより強くなる実験値を正確に再現することができた。

Scintillators are generally used to detect various kinds of particles such as electrons, gammas, protons and heavy ions. Scintillators emit photons according to the energy deposited to the crystal. It is also known that light yield is suppressed for particles depositing energy densely owing to quenching. Moreover, it is suggested that quenching is attributed to transfer of energy from excited fluorescent molecules to damaged molecules (F$"{o}$rster mechanism). In this study, energy deposition in a scintillator crystal by radiation was calculated using radiation transport codes to finally obtain excitation and damage of fluorescent molecules. Based on the calculation, spatial configuration of exited and damaged molecules. Then the probability that F$"{o}$rster mechanism takes place in excited molecules were estimated to obtain the number of fluorescent molecules that emit photons. As a result, light yield is proportionally increased with increase in the incident energy in case of electron incidence. On the other hand, light yield is increased non-linearly in case of proton incidence. This trend is in a good agreement with the experimental results.

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