誘導放射能の評価方法： PHITSとDCHAIN-SPの接続計算

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1 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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 [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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 [T-Dchain]を使うための設定 dchain.inp Parameter Setting 12
... $ must option for DCHAIN jmout = # (D=0) Density echo, 0:input, 1:number density e-mode = # (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

13 [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 = 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

14 [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 = 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

15 [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 = 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

16 [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 = 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

17 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

18 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

19 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

20 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= E+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

21 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

22 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

23 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

24 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 = 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

25 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 = 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

26 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 = 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

27 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 = 5.0000E+00 m E+00 5.0000E+00 m E+00 1.0000E+01 m E-01 1.0000E+00 h E+00 ! --- output time --- itout = 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

28 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 = 5.0000E+00 m E+00 5.0000E+00 m E+00 1.0000E+01 m E-01 1.0000E+00 h E+00 ! --- output time --- itout = 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

29 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

30 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 = E+10 s-type = 5 proj = photon reg = x0 = x1 = y0 = y1 = z0 = z1 = dir = all e-type = 4 ne = $ Energy Flux $ ^^^^ Energy E+04 E+00 E+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

31 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 = E+10 s-type = 5 proj = photon reg = x0 = x1 = y0 = y1 = z0 = 　0.0　 z1 = dir = all e-type = 4 ne = $ Energy Flux $ ^^^^ Energy E+04 E+00 E+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

32 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

33 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

34 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