Table of Contents 1. 概要 2. 物理 3. 応用例 3.1 加速器設計へ応用 3.2 療放射線防護へ応用 3.3 宇線挙動解析へ応用 3.4 そ他応用 4. 2

(1)

P

HI

T

S

仁井田浩 1_{,佐藤遉彦}2_{, 岩元洋介}2_{, 橋本慎太郎}2_, _遉彦2_, 古田琢哉2_{, 安部晋一郎}2_{, 甲斐健師}2_{, Tsai Pi-En}2_{, 松田規宏}2_, 岩瀬広3_{, 執行信寛}4_{＊L. Sihver}5 1. 高度情報科学技術研究機構＆RIST＇, 日本 2. 日本原子力研究開機構＆JAEA＇, 日本 3. 高加速器研究機構＆KEK＇, 日本 4. 九大学＊日本 5. ン科大学,

(2)

2

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(3)

PHITS

概要

Particle and Heavy Ion Transport code System

PHITS

？

任意

体系中

け様々放射線

挙動、

核

応

や

核

用い模擬

ン

計算

適用例

加速器遮へい設計放射線治療＆防護研究宇地球惑星科学

入手方法

• PHITS講習会参加 • RIST 原子力ン依頼＆国＊手数料13,176 ＇ • OECD/NEA Databank く RSICC 依頼＆国外＇

(4)

4

PHITS計算結果

例

個々放射線挙動乱数用い模擬＊全体的挙動＆均値＇出

(5)

PHITS開発体制

原子力機構 KEK • ン •核応改良 RIST 九大学ン科大理研 JAXA •開＆PHITS 務局＇ •配布＆講習会 •開全般 •EGS5 組込 •核応 INC-ELF 組込高度化 •精度検証実験 •欧普及担当 • 療宇分へ応用 •宇分へ応用 • 共型並列 •核応改良 •人体ン CEA ( ン ) •核応 INCL 組込高度化

(6)

6

 入力

形式

Fortran (Intel Fortran 11.1, Gfortran 4.71 or later)

 幾何形状

 計算

物理

粒子ン , 熱＊核応生成粒子, 電離密度分布

 出力

形式

＊＊等高線

ANGEL 画 2D&3D SimpleGEO



Windows＊Mac, Linux (MPI & OpenMP並列対応)

 言語

任意 ASCII ン

PHITS

特徴

Fortran 書く必要い！ *CERNや中国科学院原子力安全技術研究所開様々計算対応ソ • 任意１元体系 • 2D&3D 画 (ANGEL) • GUI入力支援ソ * (SimpleGEO, SuperMC＇

(7)

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(8)

中性子 光子電子陽電子 8

PHITS

扱う物理現象

衝突過程 原子原子核衝突 • 電磁場 • 力 • ( 射) • T0 外部場及び光学偏向電離過程損失 • 阻止能 : SPAR く ATIMA 連続損失仮 ＆CSDA) • δ線＆ 電子＇生成 • 機能 • 飛跡構造解析高核子 原子核 ＆独自機能＇ • 核 ＆JENDL-4.0 etc.＇ ）ン＆独自機能＇ • 核 模型＆INC) • 子分子動力学模型＆QMD＇ 輸送過程 衝突衝突間移動輸送 _衝突衝突輸送輸送

(9)

PHITSに組

込

た物理

奨励設

PHITS

組

込

物理

そ

適用

範

ン：核応０粒子特可能電離損失 ATIMA 中性子 陽子 π粒子 ＆そ他 核子＇ ン電子 陽電子 核模型 JAM + 蒸模型 GEM 核模型 INCL4.6 + 蒸模型 GEM 核 JENDL-4.0 μ粒子 EGS5 光子 1 TeV 1 TeV/u 3.0 GeV 20 MeV 1 MeV 1 keV 1 TeV 1 keV 1 keV 仮想光子核応 JAM/ JQMD + GEM ← → 高 d t 3_He a 200 MeV 1 TeV 光核応 JAM/ JQMD + GEM + JENDL + NRF EPDL97 or EGS5 *飛跡構造 1 meV *水中対応解析 0.1 meV 子分子動力学模型 JQMD + GEM 10 MeV/u JAMQMD + GEM ン原子生成+ 捕獲応 ATIMA +

(10)

10

JAM

(

J

et

A

M

icroscopic Transport)

• 高核子士衝突生成様々共鳴状態や粒子共鳴やン使再現核応

• 幅広い＆20MeV～200GeV＇核応模擬可能

Au+Au 200GeV/n in CM

(11)

最新核＊高ン生成考慮可能

INCL4.6 & INC-ELF

Pb(p,n) 及び Fe(p,d) 応対０微分断面積

Version 2.52 INCL4.6 p, n, d, t, 3_He,a粒子

標準核応採用

(E_inc = 558 MeV) (E_inc = 256 MeV)

(12)

12

56_{Fe 800 MeV/u on}208_Pb

• 原子核核子集合体仮＊全核子間力数値解析解く手法

• 原子核-原子核衝突( ン入射) 応用

K. Niita et al, Phys. Rev. C52 (1995) 2620, T. Ogawa et al., Phys. Rev. C92 (2015) 024614

JQMD

(JAERI Quantum Molecular Dynamics)

• 残留核生成粒子生成計算

• PHITS Ver.2.76 高精度 JQMD-2.0 利用可能

(13)

統計マ

チ

ン

ー

ョン

_(SMM)

PHITS 核 応模擬流

核 _励起核蒸過程核分裂 or

JAM / INCL4.6 / JQMD GEM

SMM

(14)

14

核

ータ

イ

_JENDL4.0

中性子原子核共鳴＊特核種断面積極大く JENDL4.0 格納い 112_Cd 113_Cd _中性子 _応断面積 112

_Cd

113

_Cd

各核種断面積実験値評価核必要原子核核子集合体扱う核応使えい http://wwwndc.jaea.go.jp/jendl/j40/J40_J.html

(15)

ベンチマー

様々基礎応用例対ン 論文＆Open Access＇

 ン＆PHITS ＇ /phits/sample/benchmark

(16)

16

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(17)

PHITS

J-PARC設計へ

応用

Japan Proton Accelerator Research Complex

Nuclear and Particle Physics Experimental Facility

Materials and Life Science Experimental Facility

Neutrino to Kamiokande

Linac(350m) _{3 GeV Synchrotron} (25 Hz, 1MW)

Nuclear

Transmutation

50 GeV Synchrotron (0.75 MW)

(18)

Proton Moderators Hg target t = 0 nsec t = 2 nsec t = 4 nsec t = 10 nsec t = 100 nsec t = 1000 nsec _{Energy Deposition} Moderators Hg target Fe reflector Be reflector 水銀付近電離計算水銀付近 幾何形状 18

中性子発生装置周辺

_{電離量計算}

(19)

物質生命科学施設

中性子

ン周辺

熱

計算結果

中性子ビー

イン

_遮蔽設計

ソ

機能

• 中性子ン専用線源決機能

(20)

20

ビー

イン設計に対す

_特殊機能

 荷電粒子＆電子陽電子

く＇

- ０極２極磁石＊ワ磁石 

中性子

- ０極２極６極磁石中性子ン磁場相互作用考慮 - 状＆時間変化＇磁場 - 光学： - ： T0 - 力高精度ン設計可能

(21)

そ

他

施設におけ

遮蔽設計

_例

RIBF at RIKEN by T. Ohnishi FRIB at MSU by I. Baek

(22)

22

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(23)

CT撮影時

線量評価

ス

：WAZA-ARI

線源人体

WAZA-ARI

_?

実験的検証基い機種毎線源強度決  CT撮影時患者線評価 Web  PHITS 日本人ン組合わ計算 CT機種毎被ばく線格納

PHITS

CT線

計算

CT検査

(24)

24

粒子線治療へ

_応用

粒子線治療場０ 散乱線評価

K. Takada et al. JRR 59, 91-99 (2018) O. Ploc et al. IEEE Aerospace Conf. (2017)

S. Yonai et al. Med Phys. 39, 4782-92 (2012)

0 5 10 15 0 2 4 6 8 照射表面からの深さ(g/cm2) 吸収線量 RBE加重線量線量 (G y) drawn by PHITS+SimpleGEO 吸線 RBE加 線評価

T. Sato et al. Radiat. Res. 171, 107-117 (2009)

0 5 10 15 0 0.5 1 1.5 照射表面からの深さ(g/cm2) 相対線量 (G y) 吸収線量 RBE加重線量陽子線炭素線

(25)

BNCTへ

応用

BCNT用治療計画 JCDS

H. Kumada et al. J. Phys.: 薬剤治療効果推

細胞核細胞質細胞核細胞質細胞線解析 BPA BSH

(26)

26

医学物理計算用

補助

療画像DICOM形式／＝／全体１D表示 PHITS形式入力情報変換 DICOM形式 PHITS入力形式 変換

DICOM2PHITS

PSFC4PHITS

 加速器部分＆流＇ン省略、照射部分＆流＇ン可能  IAEA Nuclear Data Services* 入手可能

加速器線源情報Phase-Space File PHITS入力形式変換

分解能範置方向＊CT値組織へ変換

(27)

連続四面体

ン

ン (ICRP110)

四面体ン

(Y.S. Yeom et al.)

 連続四面体形状？  用途？  計算時間？１元ン一種全要素四面体構成人体幾何学形状表現い複雑体系表現 CAD 連続四面体形状介間接的読込 入射粒子 ボセ 四面体 陽子 100MeV 1720秒 362秒光子 1MeV 561秒 143秒四面体方速い！＆PHITS ＇精緻放射線防護学物理計算可能

(28)

ICRP2007年勧告に基づく線量換算係数

計算

ICRP/ICRU 標準成人 男性＆＇＆女性＆右＇ン 28 計算方法 1. 人体ンけ放射線挙動 PHITS 解析 2. 各臓器吸線及び均線質係数計算 3. 組織荷係数や放射線荷係数乗線換算係数出 ICRP 線換算係数評価利用

T. Sato et al. Phys. Med. Biol. 54, 1997, (2009), T. Sato et al. Phys. Med. Biol. 55, 2235, (2010)

被ばく線

＝放射線

ン ×

線

_換算係数

(29)

0.8μ m

放射線生物学へ

_応用

β from 137_Cs α from 239_Pu PHITS 計算 細胞線分布 DNA損傷解析＊ 部被ばく評価応用 DNA 推 中性子RBE EGS 飛跡構造解析電子 飛跡構造解析機能

(30)

30

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(31)

宇

飛行士

宇

線被

_{く線量評価}

PHITS 再現結果 MATROSHKA実験人体ン ISS 搭載宇飛行士宇線被ばく線測欧主 Dos e (mG y /da y ) Position (mm) ■Exp. ▼Cal. (Total) ●Cal. (T.P) ▲Cal. (GCR) JAXA

(32)

10–8 10–4 100 104 0 0.0005 0.001 0.0015 0 0.5 1 1.5 _d_{= 101 g/cm}2 (~16.0 km) r_c_{= 0.7 GV} s_min

Exp. (Goldhagen et al.) Simulation 0 0.2 0.4 d _{= 201 g/cm}2_(~11.8km) r c = 4.3 GV s min

Neutron Energy (MeV)

N e u tro n F lu x (cm –2 s –1 le th a rg y –1 ) d _{= 1030 g/cm}2_{(ground level)} r_c_{= 2.7 GV} s min 32 大気圏中性子 • 大気圏宇線挙動太陽活動度＊地磁気強度考慮 PHITS 計算任意地点時間け宇線被ばく線瞬時計算可能

大気圏内

宇

_{線挙動解析}

PHITS ン 10–8 10–4 100 104 0 0.0005 0.001 0.0015 0 0.5 1 1.5 _d_{= 101 g/cm}2 (~16.0 km) r_c_{= 0.7 GV} s_min

Exp. (Goldhagen et al.) Simulation PARMA 0 0.2 0.4 d _{= 201 g/cm}2_(~11.8km) r c = 4.3 GV s min

Neutron Energy (MeV)

N e u tro n F lu x (cm –2 s –1 le th a rg y –1 ) d _{= 1030 g/cm}2_{(ground level)} r_c_{= 2.7 GV} s min Exp.* PHITS Simulation** Analytical Model ソ EXPACS Web 公開 *P. Goldhagen 日本航空会社乗務員被ばく線 管理や地球惑星物理学利用 http://phits.jaea.go.jp/expacs 化 23 Eff e c ti v e Dos e Rat e d u e to Cos m ic -ra y Ex p o s u re (n Sv /h ) 72 229 724 地表面け宇線被ばく線分布

(33)

太陽

時

地球へ

_影響

航空機被ばく警報

：WASAVIES

WArning System for AVIation Exposure to Solar Energetic Particle

 太陽生際大気圏け宇線昇情報信  大気圏宇線挙動解析 PHITS 利用 Web ＆開中＇ 2017 9 生時航空機高度け宇線強度航空機実験精度検証

(34)

34

1. 概要

2. 物理

3. 応用例

4. 3.1 加速器設計へ

応用

3.2 療＊放射線防護へ

応用

3.3 宇

線挙動解析へ

応用

3.4 そ

他

応用

(35)

放射線損傷計算: DPA

•放射線照射

結晶格子

出

原子

均値

•DPA 大く

＆

増え＇材料特性

劣化

•PHITS-DPA 、

核

応

ン散乱

損傷考慮

DPA

?

400MeV 陽子 0.2cm 厚窓 T91 照射試料 SUS316 0.2 cm×4 cm×15 cm Pb-Bi

ADS 試験施設 J-PARC TEF-T

400MeV-250kW, 4500 時間全体中性子照射試料中 DPA 深分布 陽子

(36)

36

マ

型核融合装置へ

_適用

A. Sukegawa et al. Prog. Nucl. Sci. Technol. 1, 36-39 (2011)

 複雑形状型装置放射線熱、損傷や放射化評価精度良い放射線輸送計算必要不可 型核融合装置 形状模擬 放射線 線源整備 装置周辺 中性子束 時間変化 計算結果 断面断面

(37)

ー

ー駆動イ

ン加速研究へ

_応用

 高強度物質照射生電場ン加速駆動型加速器開世界各地進い  そ診断系開や軌遈計算、線評価 PHITS 利用生成ン核種分布診断 結果 PHITS 計算値比較／あ生線測 値 PHITS 計算値比較

(38)

38 + + ＋＋入射中性子 + ＋ + ＋ + ＋ 繋い詳細解析 / 多 感領域 SER評価

半導体ソ

エ

_{ー発生率評価}

• 放射線照射半体電荷誘起、あい値以電荷集記憶転＊電子機器起 • 地環境＊宇線中性子半体核応起生

半

体ソ

_？

中性子核応生成０粒子評価可能ン不可領域 A (Si) 領域 B (Si) STI (SiO₂) 詳細解析 MSV

S. Abe et al. J. Nucl. Sci. Technol., DOI: 10.1080/00223131.2015.1056561 (2015) PHITS計算 102 103 104 0 0.5 1 1.5 2 ソフトエラー率, [ IT/Mb it ] しきい電荷量 [fC] 詳細解析 PHITS+MSV

(39)

• 染作業前後空間線率計算染効果評価ソ • PHITS 用い汚染環境中空間線率計算必要作成

除染効果評価

ス

_CDE

使いやい表計算ソ供染後染前染域染地域地汚染分布入力空間線率計算結果可視化

Table of Contents 1. 概要 2. 物理 3. 応用例 3.1 加速器設計へ 応用 3.2 療 放射線防護へ 応用 3.3 宇 線挙動解析へ 応用 3.4 そ 他 応用 4. 2

P

HI

T

S