PHITSによる任意の物質に対する電子線飛跡構造計算に向けた基礎検討

Fundamental study for calculating electron track structure of arbitrary materials in PHITS

平田 悠歩   ; 甲斐 健師   ; 小川 達彦   ; 松谷 悠佑*  ; 佐藤 達彦   

Hirata, Yuho; Kai, Takeshi; Ogawa, Tatsuhiko; Matsuya, Yusuke*; Sato, Tatsuhiko

放射線検出器の応答を評価する際には、放射線から発生する低エネルギー電子の挙動解析が重要である。様々な種類の放射線検出器の応答を解析するためには、任意の物質に対する電子の挙動解析が可能な電子線飛跡構造計算機能の開発が望まれている。電子線飛跡構造計算には電離や励起などの相互作用ごとの断面積が必要であり、電離については、元素ごとにデータベースが整備されている束縛エネルギーや運動エネルギーから断面積が計算できる。一方で、励起は物質のバンド構造に依存するため、元素ごとのデータベースによる断面積の計算は困難である。そこで、本研究では励起がバンドギャップエネルギーを束縛エネルギーとした価電子の電離と同等であると仮定することで、電離断面積と同様に励起断面積を計算した。この断面積計算手法と放射線輸送計算コードPHITSを組み合わせて、組成比、密度、バンドギャップエネルギーを入力パラメータとした電子線飛跡構造計算を可能にした。Siについて試計算した結果、Si中の電子の飛程は既報のモデルによる計算結果と一致し、本研究で開発した計算機能が電子の挙動をナノスケールで解析できることを確認した。

Analyzing the behavior of low-energy electrons generated by radiation is vital for evaluating the response of radiation detectors. An electron track structure calculation that can analyze the electron behavior of arbitrary materials is required to investigate the response of various radiation detectors. The electron track structure calculation requires cross sections for each interaction, such as ionization and excitation. The cross sections for ionization can be calculated from binding energy and kinetic energy, for which databases are available for each element. On the other hand, excitation depends on the material's band structure, making it challenging to calculate cross sections from element-specific databases. In this study, we assume that the excitation is equivalent to the ionization of valence electrons with the band gap energy as the binding energy. Therefore, we calculate the excitation cross-section using the same method as the ionization cross-section. We have combined these cross-section calculation methods with PHITS and made it possible to calculate electron track structures using composition ratio, density, and band gap energy as input parameters. The calculated electron trajectory in Si by the developed function is consistent with the previously reported model, indicating that the developed function can analyze the electron behavior on a nanoscale.