誘導放射能の評価方法: PHITSとDCHAIN-SPの接続計算

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誘導放射能の評価方法: PHITSとDCHAIN-SPの接続計算 Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System 誘導放射能の評価方法: PHITSとDCHAIN-SPの接続計算 PHITS講習会 入門実習 2017年8月改訂 Title 1

本実習の目的 PHITSでは,放射線が物質に入射した直後に生成す る放射能は計算可能だが,その放射能が時間ととも にどう変化するか計算することはできない DCHAIN-SPは,放射性核種の生成・崩壊を計算し, 放射能や放射性核種の壊変に伴う発熱・γ線の生成 が時間とともにどう変化するか評価するプログラム 本実習では,PHITSとDCHAIN-SPを組み合わせた誘導放射能の評価方法や,誘導放射能から放出されるγ線の挙動をPHITSで再解析する手法を学習します Purpose 2

用語の解説 放射能: ・ 放射性物質が壊変して放射線を放出する性質 ・ 放射能の強さ (単位:Bq = 崩壊/秒)  ・ 放射性物質が壊変して放射線を放出する性質  ・ 放射能の強さ (単位:Bq = 崩壊/秒)      ※ベクレルは、ウランの塩類から放射線が出ていることを発見(1896) 放射性物質(放射性核種、放射性同位元素とも言われる):  ・ 放射能を持つ物質(核種、同位元素) 放射線:  ・ エネルギーを持って媒質中を伝搬している粒子   (PHITSで挙動解析可能な陽子・中性子・光子など)   ⇒ 放射線・放射性物質ともに規制の対象になる。 Glossary 3

実習内容 使用方法の概要 [t-dchain]のパラメータ設定 DCHAIN-SPの出力ファイル 演習 まとめ PHITS講習会 入門実習 Table of Contents 4

PHITSとDCHAIN-SPの接続計算の流れ 粒子輸送計算 計算結果 照射中・照射後の任意時間における 生成核種毎の放射能(Bq) 放射能による崩壊熱(W) 放射能からの生成γ線スペクトル [t-dchain]タリーによるファイル作成 DCHAIN-SPの基本入力ファイル(file=で指定) [t-yield]による核種生成率(*.dyld, nmtc_yield) [t-track]による20MeV以下の中性子エネルギースペクトル(*.dtrk, n.flux_**) DCHAIN-SP用のデータリンク先情報(dch_link.dat) 放射性核種の生成・崩壊計算 DCHAIN-SP用データライブラリ 1968群中性子放射化断面積ライブラリ γ線スペクトル&崩壊データライブラリ 電子捕獲&β+崩壊比ライブラリ Overview 5

接続計算の流れを体験 dchain.inpをPHITSで実行(送る→PHITS) (tdchain.out, .dtrk, .dyld, dch_link.dat, n.flux_***, nmtc_yieldが作成される) tdchain.outをDCHAIN-SPで実行(送る→DCHAIN) (tdchain.lst, .act, .pht, .ang, .gsd, .gso, .alr, .epsが作成される) tdchain.eps 領域別の誘導放射能の時間変化 Overview 6

[t-dchain]タリーの出力ファイル tdchain.out: 基本入力ファイル         ([t-dchain]のfile=でファイル名を指定) tdchain.dyld: [t-yield]で計算した核種生成率 nmtc_yield: DCHAIN-SP入力形式に変換した放射性核種生成率 tdchain.dtrk: [t-track]で計算した中性子エネルギースペクトル* n.flux_***: DCHAIN-SP入力形式に変換した中性子エネルギースペクトル dch_link.dat: DCHAIN-SP用データライブラリ格納フォルダ名         ([parameters]セクションのfile(1)で一括又はfile(21)で個別指定) *原理的には[t-yield]の出力のみから誘導放射能の時間変化を計算可能ですが,計算精度を向上させるため,20MeV以下の中性子により生成される誘導放射能は別途DCHAINで計算するようにしています Overview 7

DCHAIN-SPの出力ファイル tdchain.lst: 基本出力ファイル tdchain.act: 詳細な計算結果(放射能,崩壊熱,線量率,            誘導放射能によるγ線エネルギースペクトル) tdchain.pht: PHITS入力形式でのγ線エネルギースペクトル tdchain.ang: ANGEL入力形式での放射能,崩壊熱,線量率 tdchain.eps: 上記ファイルをANGEL処理した画像ファイル tdchain.gsd: MCNP入力形式でのγ線エネルギースペクトル tdchain.yld: 照射・冷却終了時の核種生成量 tdchain.gso:γ線の起源核種とその寄与割合 tdchain.alr: 放射能及び崩壊熱 Overview 8

使用上の注意点 DCHAIN-SP入力ファイルで必要となるパラメータの一部は, [t-dchain]セクションで定義できます 初期値は,一般的な放射能計算に適した値となっています 初期値から変更する場合は,パラメータの意味を十分に理 解した上で変更して下さい パラメータの意味は,DCHAIN-SPのマニュアル*をご参照 下さい */phits/dchain-sp/manual/DCHAIN-SP2014-jpn.pdf 現バージョンの制限 1つのインプットファイルで1つしか[t-dchain]セクションは定義できません Meshはregのみ指定可能で,複合セル(複数の領域をまとめて出力)機能 は使用できません Overview 9

実習内容 使用方法の概要 [t-dchain]のパラメータ設定 DCHAIN-SPの出力ファイル 演習 まとめ PHITS講習会 入門実習 Table of Contents 10

PHITS計算結果の確認 yz-track.eps 150 MeV陽子 水 真空 円柱の水(半径10cm,高さ10cm)を3個並べた体系の一端(cell番号:1)から、150MeVの陽子を打ち込む  Parameter Setting 11

[T-Dchain]を使うための設定 dchain.inp Parameter Setting 12 ... $ must option for DCHAIN jmout = 1 # (D=0) Density echo, 0:input, 1:number density e-mode = 0 # (D=0) Event generator mode … [ V o l u m e ] $ must section for DCHAIN reg vol 1 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm) 2 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm) 3 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm) DCHAIN-SPでは,評価対象領域の原子数密度が必要となるため,[volume] セクションとjmout(原子数密度で密度を出力するオプション)の定義は必須 20MeV以下の中性子による誘導放射能は別途評価するため,Event Generator Mode(e-mode)は使わない DCHAIN-SP用のデータベース格納フォルダを別途指定する場合は、 file(21)で指定してください 通常は, file(21) = c:/phits/dchain-sp/data Parameter Setting 12

[T-Dchain]の構成 dchain.inp 必要最低限の条件入力 (パラメータ): ・ file (出力ファイル名) $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton into water mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 # (D=1.0) Source Intensity 必要最低限の条件入力 (パラメータ):   ・ file (出力ファイル名)   ・ mesh (領域)   ・ amp、timeevo (照射履歴)   ・ outtime (出力時間) Parameter Setting 13

[T-Dchain]の入力パラメータ file:DCHAINの入力ファイル名 Parameter Setting 14 $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 file:DCHAINの入力ファイル名  ・ 禁止ファイル名(= 関連する出力ファイル名): ***.dtrk, ***.dyld, ***_err.dyld, ***.dout, ***.lst, ***.yld, ***.gsd, ***.gso, ***.alr, ***.act, ***.ang, ***.pht, n.flux_001~n.flux_500, nmtc_yield, dch_link.dat PHITSもしくはDCHAINが上記名前のファイルを自動的に作成するため Parameter Setting 14

[T-Dchain]の入力パラメータ mesh:評価対象領域の指定 mesh = reg amp:線源の基準強度 (source/秒) $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 mesh:評価対象領域の指定   mesh = reg amp:線源の基準強度 (source/秒) timeevo:照射・冷却時間ステップの数         (照射履歴) 他のタリーとは異なり、現在は reg のみ有効 timeevo = の次行からは、照射時間または冷却時間と相対照射強度をtimeevo 個入力する。このとき、時間の単位は、秒(s)、分(m)、時(h)、日(d)、年(y)とし、数値と単位の間には1つ以上の空白を入れること。 6.0 m 1.0 → 100%の出力で6分間照射 50.0 m 0.0 → 50分間の冷却期間 Parameter Setting 15

[T-Dchain]の入力パラメータ outtime:計算結果出力時間の数 Parameter Setting 16 $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 outtime:計算結果出力時間の数   outtime = の次行からは、計算結果出力時間を outtime 個入力する。このとき、時間の単位は、秒(s)、分(m)、時(h)、日(d)、年(y)とし、数値と単位の間には1つ以上の空白を入れること。 正の数値:計算開始時からの通算時間 負の数値:最後の照射終了時間からの時間 timeevoで指定した通算時間を超えた入力は不可 (この例の場合は56分以降) Parameter Setting 16

timeevoとouttimeの関係 dchain.inp 照射・冷却時間ステップと 計算結果出力時間の関係 [ T – D c h a i n ] timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m 照射・冷却時間ステップと       計算結果出力時間の関係 照射履歴 ← timeevoで指定 照射 6.0 m 冷却 50 m (分) 計算結果出力時間 ← outtimeで指定 設定不可 Parameter Setting 17

outtimeの負の数値入力 Manual 照射・冷却時間ステップと 計算結果出力時間の関係 Parameter Setting 18 [ T – D c h a i n ] mesh = reg reg = 100 file = testDC.spd title = [t-dchain] test calc. amp = 1.0E12 timeevo = 4 3.0 h 1.0 2.0 h 0.0 3.5 h 1.0 15.5 h 0.0 outtime = 3 3.0 h -1.0 h -3.0 h 照射・冷却時間ステップと       計算結果出力時間の関係 照射履歴 ← timeevoで指定 照射  照射 最後の   照射終了時間 3.0 h 3.5 h 2.0 h 15.5 h 冷却       冷却 時間 3.0 h 1.0 h 設 定 不 可 3.0 h 計算結果出力時間 ← outtimeで指定 Parameter Setting 18

実習内容 使用方法の概要 [t-dchain]のパラメータ設定 DCHAIN-SPの出力ファイル 演習 まとめ PHITS講習会 入門実習 Table of Contents 19

DCHAINの標準出力ファイル tdchain.lst: サマリーファイル(phits.outのようなもの) ファイルの最後にエラーが出力される場合があります *** error message from main *** primary file is not found. file name = /spd-dcylib ↑ 計算に必要なライブラリファイルが見当たらない。 解決策1: PHITSの入力 file(21)でアドレスを正しく指定する。 解決策2: dch_link.dat を手動で書き直す。 *** error message from s.rdinpt *** total flux of neutron irradiation was less than 0. no. of region= 1 jmode= 2 fluxs= 0.0000E+00 ↑ 中性子束(フラックス)が 0 の領域がある。 解決策1: PHITSの試行回数を増やして再計算する(再開始計算でも可) 解決策2-1:全領域が 0 の場合は、jmode = 0 にする 解決策2-2:一部の領域が0の場合は,入力ファイルからその領域の情報を除く DCHAIN-SP Output 20

DCHAINのテキスト出力ファイル tdchain.act: 誘導放射能の計算結果(Bq、W、μSv/h m2) ※ 領域毎、出力時間毎  のテキスト形式で、  放射能等が出力される。 ← 領域 ← 出力時間 崩壊熱 線量率定数×Bq 誘導放射能 これ以外にも様々な情報を持ったテキストファイルが出力される(マニュアル参照) DCHAIN-SP Output 21

DCHAINの画像出力ファイル DCHAIN-SP Output 22 各領域(点+線)及び全領域(太線)での出力時間変化 誘導放射能 崩壊熱 β崩壊熱* γ崩壊熱* α崩壊熱* 線量率** tdchain.eps 各領域(点+線)及び全領域(太線)での出力時間変化 *β線,γ線,α線毎の崩壊熱 **放射能を点線源と仮定した場合に,線源から1m離れた地点における周辺線量当量率 DCHAIN-SP Output 22

実習内容 使用方法の概要 [t-dchain]のパラメータ設定 DCHAIN-SPの出力ファイル 演習 まとめ PHITS講習会 入門実習 Table of Contents 23

現在の設定を確認 dchain.inp tdchain.eps Exercise 24 6分(360秒)後に放射能の最大値をとる $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 tdchain.eps 6分(360秒)後に放射能の最大値をとる 表面から深くなるにしたがって放射能が下がる   (領域1>領域2>領域3) Exercise 24

課題1 照射時間を変更してみよう dchain.inp 現在 変更後 timeevo:照射・冷却時間ステップの数 [ T - D C H A I N ] $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 2 6.0 m 1.0 50.0 m 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 現在 6.0 m 1.0 → 100%の出力で6分間照射 50.0 m 0.0 → 50分間の冷却期間 変更後 100%の出力で5分間照射 5分間冷却 50%の出力で10分間照射 1時間冷却 timeevo:照射・冷却時間ステップの数 timeevo = の次行からは、照射時間または冷却時間と相対照射強度をtimeevo 個入力する。このとき、時間の単位は、秒(s)、分(m)、時(h)、日(d)、年(y)とし、数値と単位の間には1つ以上の空白を入れること。 → PHITS,DCHAINと続けて実行 Exercise 25

課題1(解答) dchain.inp tdchain.eps 20分(1200秒)後に再び放射能が増えた Exercise 26 $ must section for DCHAIN title = 150MeV proton mesh = reg reg = 1 2 3 file = tdchain.out timeevo = 4 5.0 m 1.0 5.0 m 0.0 10.0 m 0.5 1.0 h 0.0 outtime = 7 1.0 m 3.0 m 6.0 m 10.0 m 20.0 m 30.0 m 40.0 m $ beam current (nA) set:c21[100.0] amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 tdchain.eps 20分(1200秒)後に再び放射能が増えた Exercise 26

課題2 出力時間を変更してみよう tdchain.out 現在 変更後 itout:計算結果出力時間の数 (30行目以降) ! --- irradiation time --- itstep = 4 5.0000E+00 m 1.0000E+00 5.0000E+00 m 0.0000E+00 1.0000E+01 m 5.0000E-01 1.0000E+00 h 0.0000E+00 ! --- output time --- itout = 7 1.0000E+00 m 3.0000E+00 m 6.0000E+00 m 1.0000E+01 m 2.0000E+01 m 3.0000E+01 m 4.0000E+01 m 現在 照射開始から 1, 3, 6, 10, 20, 30, 40分後(7点) 変更後 照射開始から 1, 3, 5, 7, 10, 13, 16, 20, 25, 30, 40分後(11点) (計算時間の掛かる方は,点数を減らしてもOK) itout:計算結果出力時間の数 [t-dchain]のouttimeパラメータに相当 →tdchain.outのみ変更して再度DCHAINのみを実行 Exercise 27

課題2(解答) tdchain.out 照射時間や出力時間を変更するだけなら,PHITSの再計算は不要! Exercise 28 (30行目以降) ! --- irradiation time --- itstep = 4 5.0000E+00 m 1.0000E+00 5.0000E+00 m 0.0000E+00 1.0000E+01 m 5.0000E-01 1.0000E+00 h 0.0000E+00 ! --- output time --- itout = 11 1.0000E+00 m 3.0000E+00 m 5.0000E+00 m 7.0000E+00 m 1.0000E+01 m 1.3000E+01 m 1.6000E+01 m 2.0000E+01 m 2.5000E+01 m 3.0000E+01 m 4.0000E+01 m 照射時間や出力時間を変更するだけなら,PHITSの再計算は不要! Exercise 28

誘導放射能を線源とした再計算 tdchain.pht: PHITS入力形式で出力された崩壊γ線のスペクトル tdchain.pht ← 領域毎 ← 出力時間毎 規格化定数 →領域域全体のγ線放出率(/sec) ←直方体線源(s-type=5) 線源発生領域の設定   直方体の大きさ(x0、x1、y0、y1、z0、z1で定義)は、線源領域が全てカバーできる大きさに各自で設定する必要があります。     DCHAINは領域の形や大きさが分からないため 線源方向は等方線源(dir=all) エネルギー分布は連続スペクトル(e-type=4)で表現します   Exercise 29

課題3 誘導放射能を線源として再計算してみよう dchain.inp 現在の[source]セクションをoff s-type = 1 … [ S o u r c e ] totfact = 2.4444E+10 s-type = 5 proj = photon reg = 1 x0 = x1 = y0 = y1 = z0 = z1 = dir = all e-type = 4 ne = 37 $ Energy Flux $ ^^^^ Energy 0.0010 3.8688E+04 0.0100 0.0000E+00 0.0200 0.0000E+00 現在の[source]セクションをoff tdchain.phtの1つ目の[source]セクショ ン(領域1,出力時間1分後に対応)をコ ピー&ペースト 線源発生領域を適切な大きさに設定 領域1は  -10 cm < x < 10 cm -10 cm < y < 10 cm 0 cm < z < 10 cm に含まれる 全体がカバーできていればピッタリでなくてもよい 大きすぎると問題あり → dchain.inpを変更してPHITSを実行 Exercise 30

課題3(解答) dchain.inp yz-track.eps,3ページ目 領域1全体から光子が発生している Exercise 31 [ S o u r c e ] off s-type = 1 … [ S o u r c e ] totfact = 2.4444E+10 s-type = 5 proj = photon reg = 1 x0 = -10.0 x1 = 10.0 y0 = -10.0 y1 = 10.0 z0 =  0.0  z1 = 10.0 dir = all e-type = 4 ne = 37 $ Energy Flux $ ^^^^ Energy 0.0010 3.8688E+04 0.0100 0.0000E+00 0.0200 0.0000E+00 yz-track.eps,3ページ目 領域1全体から光子が発生している Exercise 31

実習内容 使用方法の概要 [t-dchain]のパラメータ設定 DCHAIN-SPの出力ファイル 演習 まとめ PHITS講習会 入門実習 Table of Contents 32

まとめ DCHAIN-SPとは,放射能や放射性核種の生成・崩 壊に伴う発熱・γ線の生成が時間とともにどう変化 するか計算するプログラムである PHITS入力ファイルに[t-dchain]タリーを設定すれ ば,その計算結果からDCHAIN-SPの入力ファイル を自動で作成することができる DCHAIN-SPを使うことにより,PHITS単体では得ら れなかった誘導放射能の時間変化など,放射線照 射による長期的な影響が評価可能となる Summary 33

今後の開発予定(2015年6月~) [T-Dchain]を複数個設定できるようにする。 誘導放射能(崩壊ガンマ線)による被ばく線量等評価 を支援するため、[Source]の機能を拡張する。   → DECDC2を用いたRI線源機能の開発(完了) xyzメッシュが設定できるようにする。 DCHAIN計算オプションを開発する。   ※ PHITSの中でDCHAINが動作するようにする Summary 34