Virtual photon approach of cathodoluminescence and ion-beam induced luminescence of solids

イオンビームによるカソードルミネッセンスの仮想光子に基づく計算法

Constantini, J.-M.*; 小川 達彦   ; Gourier, D.*

Constantini, J.-M.*; Ogawa, Tatsuhiko; Gourier, D.*

従来、物質への放射線照射で発生するルミネッセンスはエネルギー付与に基づいて推定されるが、入射粒子がもたらす仮想光子のスペクトルに基づいて計算する方法を本研究で新たに開発し、その妥当性を実験に基づいて検証した。入射荷電粒子(電子,陽子,粒子)が仮想光子を周囲に放出し、標的物質である-アルミナの欠陥や不純物準位にある電子を励起すると仮定して、仮想光子スペクトルと準位の光子吸収スペクトルを理論計算し、その畳み込み積分によって励起遷移強度を算出した。この計算にPHITSの飛跡構造解析計算コードITSARTを利用することによって、荷電入射粒子が二次電子を散乱し、その二次電子が試料中の電子を励起する二次的な効果も考慮した。この励起遷移強度を荷電粒子飛跡上で積分し、実験的に得られたルミネッセンス強度と比較したところ、実験値の傾向を再現することができた。

A novel analysis of luminescence is presented on the basis of virtual photon spectra (VPS) produced by charged particles (electrons or ions) passing by luminescent species such as defects or impurities, in wide band-gap ionic-covalent solids. The electron-energy dependence of experimental luminescence spectra of sapphire (-AlO) is discussed in relation to the computed VPS for the primary and secondary electrons. The experimental luminescence spectra of -AlO are also analyzed in this framework for protons and helium ions in the MeV energy range. The variations of stopping power are consistent with the variation of the number of emitted VPs. The decay of luminescence yield versus ion stopping power is discussed on the basis of the variation of the computed VPS, and ionization and excitation induced by primary ions and secondary electrons. This decay is accounted for by a decrease of the yield of low-energy secondary electrons with the subsequent VP emission.