P HI T S α 線， β 線， γ 線，中性子線を止めるに は？ Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System title1 2015 年 5 月改訂.

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1 P HI T S α 線， β 線， γ 線，中性子線を止めるに は？ Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System title1 2015 年 5 月改訂

2 α 線は紙 1 枚で止まる β 線はアルミ板 1 枚で止まる γ 線は鉛ブロックで止まる 中性子線は，それら全てを透過す る Contents2 実習目的 と言われています。 本当かどうか PHITS を使って確認してみよう

3 Range.inp の確認 3Check Input File 基本計算条件 入射粒子： 体系： タリー： 20MeV 電子 Al 計算体系 track.eps 20MeV 電子（半径 0.01cm のペンシルビーム） 円柱の遮へい体と真空のみが存在 （厚さ２ cm ，半径 5cm のアルミターゲット） [t-track] によるフラックス空間分布 [t-cross] により遮へい体後方のエネルギー分布 cross.eps Void

4 本演習の流れ 4Procedure 1. 線源を β 線に変更する 2. 遮へい体の厚さを変更する 3. タリー領域の変更する 4. 線源を α 線に変更する 5. 遮へい体を紙に変更する 6. 線源を γ 線に変更し，遮へい体を鉛に変更す る 7.γ 線を遮へいできる鉛の厚さを最適化する 8. 統計誤差を小さくする 9. 線源を中性子に変更する 10. 中性子遮へいに最適な素材を探す 各ステップで変更するインプットは「 range*.inp 」として準備され ています

5 ステップ１：線源を β 線に変更 5Step 1 線源エネルギーは [source] セクションの e0 パラメータで定義 入射電子のエネルギーを 20MeV から通常の β 線エネルギー（例えば 1MeV ）に変更してみ よう 電子フラックス (track.eps) 飛程が短くなり止まった [ S o u r c e ] s-type = 1 proj = electron e0 = 20.00 r0 = 0.0100 x0 = 0.0000 y0 = 0.0000 z0 = -20.000 z1 = -20.000 dir = 1.0000 e0 を変更し て実行

6 ステップ２：遮へい体厚さの 変更 6Step 2 ターゲット厚は変数 （ c1 ）で定義している 実際のアルミ板はもっと薄い（ 1mm 程度） 遮へい体の厚さを変更してみよう 電子フラックス (track.eps) 1mm では止まらない！ [ S u r f a c e ] set: c1[2.0] $ Thickness of Target (cm) 1 pz 0.0 2 pz c1 3 pz 50.0 11 cz 5.0 999 so 100.0 どれくらいの厚さで止まるか調べてみよ う

7 ステップ３：タリー領域の変 更 7Step 3 電子フラックス ぎりぎり止まっている 遮へい体内での放射線挙動を詳しく見てみよ う 光子フラックス 止まっていない !! 1. ターゲット厚（ c1 ）は 0.2cm とする 2.X,Y 方向は -c1 から c1 までとする 3.Z 方向は 0cm から c1 の 2 倍までとする [ T - T r a c k ] title = Track in mesh = xyz x-type = 2 xmin = -1.5 xmax = 1.5 nx = 50 y-type = 2 ymin = -1.5 ymax = 1.5 ny = 1 z-type = 2 zmin = 0.0 zmax = 3.0 nz = 90

8 透過した光子のスペクトル は？ 8Tally 透過粒子エネルギー スペクトル （ cross.eps ） 数 10keV ～数 100keV の光子が透過してい る y(electron)... y(photon) … # sum over 0.0000E+00 7.5439E-02 透過率 は？ cross.out の 94 行目に ”# sum over” として積分値（ 1 線源当たりにそ の面を横断した粒子数）が出力 される 1MeV 電子 1 入射当たり 0.075 個 の光子が 2mm のアルミ板を透過 する β 線はアルミ板で止まるが， 放射線を完全に遮へいで きるわけではない！

9 ステップ４： α 線入射の場合 は？ 9Step 4 α 線フラックス (track.eps の 3 枚目） 表面で全て止まっている 1. 入射粒子を β 線から α 線（ 6MeV ＝ 1.5MeV/u ）に変更す る [ S o u r c e ] s-type = 1 proj = electron e0 = 1.00 r0 = 0.0100 x0 = 0.0000 y0 = 0.0000 z0 = -20.000 z1 = -20.000 dir = 1.0000

10 ステップ５：遮へい体を紙に 変更 10Step 5 1. 紙（セルロース）の化学式は (C 6 H 10 O 5 ) n 2. 密度は 0.82g/cm 3, 厚さは 0.01cm と仮定 α 線フラックス 本当に紙 1 枚（ 0.006cm 程度）で止ま る 2 次粒子も発生しない [ M a t e r i a l ] MAT[ 1 ] # Aluminum 27Al 1.0 [ C e l l ] 1 1 -2.7 1 -2 -11 $ Target 2 0 2 -3 -11 $ Void 98 0 #1 #2 -999 $ Void 99 -1 999 $ Outer region [ S u r f a c e ] set: c1[0.2] $ Thickness of Target (cm) 1 pz 0.0 2 pz c1 3 pz 50.0 11 cz 5.0 999 so 100.0

11 ステップ６： γ 線入射の場合 は？ 11Step 6 光子フラックス 遮へいが十分でない 1. 入射粒子を α 線から 0.662MeV の γ 線 (=photon) に変更する 2. 遮へい体を厚さ 1cm の鉛（密度 11.34g/cm 3 ）に変更する 204Pb 0.014 206Pb 0.241 207Pb 0.221 208Pb 0.524 透過エネルギースペクトル 一度も散乱せずに 透過した光子が多数存在

12 ステップ７： γ 線を遮へいできる鉛の厚 さは？ 12Step 7 鉛 4.3cm の場合の光子フラックス 1. 遮へい体の厚さを変更する 2. 一度も散乱されずに透過する確率が 1/100 になれば遮へ いできたとする → cross.out の 75 行目で確認 透過エネルギースペクトル 透過率 0.010

13 ステップ８：統計誤差を小さくする 13Step 8 maxcas, maxbch, batch.now, istdev などを駆使して，透 過率の統計誤差が 10% 以下になるまで，計算を実行する 3.1232E-01 3.8073E-01 0.0000E+00 0.0000 0.0000E+00 0.0000 3.8073E-01 4.6413E-01 0.0000E+00 0.0000 3.1116E-03 0.7100 4.6413E-01 5.6580E-01 0.0000E+00 0.0000 1.1609E-03 1.0000 5.6580E-01 6.8973E-01 0.0000E+00 0.0000 1.0050E-02 0.3148 6.8973E-01 8.4081E-01 0.0000E+00 0.0000 0.0000E+00 0.0000 cross.out の 75 行目に透過率と統計誤差が出力されている 3.1232E-01 3.8073E-01 0.0000E+00 0.0000 1.5474E-04 1.0000 3.8073E-01 4.6413E-01 0.0000E+00 0.0000 8.8026E-04 0.3625 4.6413E-01 5.6580E-01 0.0000E+00 0.0000 1.5655E-03 0.2444 5.6580E-01 6.8973E-01 0.0000E+00 0.0000 9.0937E-03 0.0891 6.8973E-01 8.4081E-01 0.0000E+00 0.0000 0.0000E+00 0.0000 0.0091 ± 9% なので，透過率が 1/100 以下と考えてよい maxcas = 1000, maxbch = 1 の場合 maxcas = 1000, maxbch = 14 の場合

14 ステップ９：中性子入射の場合は？ 14Step 9 中性子フラックス ほとんど遮へいできない 1. 入射粒子を γ 線から 1.0MeV の中性子（ =neutron ）に変更 する 2.maxbch を 5 に変更 透過エネルギースペクトル 一度も散乱せずに 透過した中性子が 80 ％以上！

15 ステップ１０：中性子を効果的に遮へい する 15Step 10 黒鉛（ 1.77g/cm 3 ） 約 26cm 1. 遮へい体の素材と厚さを変更して，中性子の透過率 が 1/100 以下になるようにする（ sum over の値を見 る） 2. 様々な素材を試して，どのような物質が効果的に中 性子を遮へいできるか検討してみよう アルミ（ 2.7g/cm 2 ） 約 38cm 水（ 1.0g/cm 3 ） 約 15cm 元素番号の軽い原子の方が効果的に中性子を遮へい可能

16 16 PHITS を用いて α 線， β 線， γ 線，中性子 線の透過力を計算し，通説が（ほぼ）正 しいことを確認できた PHITS は，様々な放射線の挙動を解析可 能なので，それぞれの特性を包括的に評 価することができる まとめ Summary

17 Homework17 1. 高エネルギー中性子（ 100MeV ）ビームの遮へい設計をす る 2. 遮へい設計の指標は，フルエンスではなく実効線量とする 3. 遮へい体内での実効線量を計算し，表面と背面での線量比 が 1/100 以下となる遮へい体で，できるだけ薄いものを探 す 4. 遮へい体は， 2 種類以上の素材を組み合わせてもよい 宿題（難題！） ヒント 奨励設定「 h10multiplier 」にある [t-track] を使う axis を xz から z に変更し，深さ方向の線量をヒストグラムで見る グラフがたくさん出力されすぎないよう， nx=1 とする 低エネルギー中性子は軽い元素の方が遮へいできるが，高エネルギー 中性子はある程度重い元素の方が遮へいできる

18 Homework18 回答例（ answer1.inp ） 考えてみよう 光子による線量寄与はどれくらいあるのか？ 鉄遮へい体後方の中性子エネルギースペクトルはどうなっている か？ コンクリートと鉄の順番を逆にするとどうなるか？ 鉄（ 80cm ）とコンクリート（ 25cm ）を組み合わせた遮へい体内の線量率深さ分布 鉄