PHITS Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System 陽子ビームで雪だるまを溶かそう 2016年3月改訂 title 1 実習目的 将来，実用化が期待される（？）ビームライフルが 現在の技術でどの程度実現可能か，陽子ビームで 雪だるまを溶かす数値実験を行って検討してみよう • ジオメトリの作成 • 線源の変更 • 規格化の概念 について 実習します 写真提供：佐藤大樹氏 Purpose 2 snowman.inpの確認 基本計算条件 入射粒子： 100MeV陽子（半径1.0cmのペンシルビーム） 体系： 原点に半径5cmの水 タリー： [t-track]によるフラックス空間分布 [t-deposit]による水球内の吸収線量(Gy/source) [volume]セクションで体積を定義する必要有り … x: y: p: h: # track.eps Serial Num. of Region Dose [Gy/source] xlin ylog afac(0.8) form(0.9) x n n y(all ),l3 n num reg volume dose r.err 1 1 5.2360E+02 2.9853E-11 0.0032 deposit.out 2.9853 x 10-11 (Gy/source) Check Input File 3 snowman.inpの構成 snowman.inp [Title] 計算のタイトル [Parameters] ヒストリ数・核データの定義など [Source] ② 線源 線源の定義 [Material] 放射線の発生 物質の定義 [Surface] 面の定義 [Cell] 実験体系 容れ物の定義 [Volume] 容れ物の体積の定義 [T-Track] ③ 検出器 飛跡の描画 [T-Deposit] 観察する 吸収線量の計算 ① 3次元体系 Sections in Input file 4 本演習の流れ 1. 雪だるま体系を作る 2. 照射条件を調整する 3. 雪だるまを溶かすために必要となる ビーム電流・出力を決定する Procedure 5 雪だるま体系の作成 この実習で作成するジオメトリ \phits\utility\rotate3dshow 方針 • 大小２つの雪玉にアルミプレートを乗せたシンプルなものとする • 雪玉は，密度１g/cm2の水とする（温度の指定はしない*） • アルミプレートは，小玉の上にピッタリと乗せる *温度は，低エネルギー中性子の挙動にのみ影響する 6 ステップ１：雪玉（大玉）を作る 大きい雪玉（半径20cm）を芯の周りに作る（中心 z = 0 cm） ヒント • ジオメトリの描画はicntl = 8 • 原点を中心としたsurfaceは”so 半径”で定義 • 元からあった半径5cmの球の領域と重ならない（二重定義を防ぐ） ように大玉の領域から半径5cmの球の領域を除く Step 1 7 ステップ２：雪玉（小玉）を作る 小さい雪玉（半径15cm）を大きい雪玉の上に乗せる（中心 z = -25cm) ヒント • ｚ軸上を中心としたsurfaceは”sz 中心z座標 半径”で定義 • ２つの雪玉が重なってニ重定義になってしまうので，小玉から大玉 の領域を除く（もしくは逆でもよい） Step 2 8 ステップ３：アルミプレートを乗せる 1. [material]セクションでアルミ（27Al）を定義する 2. 半径10cm，厚さ4cmの円柱アルミプレートを作る（-40cm < z < -36cm） ヒント • • • • z軸に平行な円柱面は”cz 半径”で定義 z軸に垂直は平面は”pz z座標”で定義 アルミの密度は2.7g/cm3（重量密度で定義する場合は負値） 雪玉領域からアルミプレート領域を除くことにより雪玉に埋め込む Step 3 9 ステップ４：陽子ビームのエネルギーを 調整する 陽子ビームのエネルギーを調整し，芯での吸収線量が最も大きくなるようにする （1MeV単位で調整する） ヒント • • • • 粒子輸送を実行するにはicntl = 0とする 入射エネルギーは[source]セクションのe0パラメータで決定 芯での吸収線量はdeposit.outで確認 陽子による吸収線量はブラッグピーク付近で最も高くなる Step 4 10 ステップ５：陽子ビーム電流を調整する 一般的な陽子線治療の電流値（10nA）で1秒間照射 したときの芯での吸収線量（Gy）を計算しよう ヒント • PHITSの計算結果は線源が１つ発生する当たりに規格化されている maxcas, maxbchは計算精度（統計誤差）に関係する値で規格化とは無関係！ • 複数の線源が発生する状況を模擬するには，[source]セクションのtotfact パラメータを変更する 例） 陽子が100個発生した場合の吸収線量を計算する場合はtotfact = 100.0 • 1A（アンペア）は，1秒当たり1C（クーロン）の電流が流れる状態を表す • 素電荷（陽子1つ当たりの電荷）は1.6x10-19Cとする Step 5 11 ステップ５の回答 Totfactを変える とスケールが変 わることに注意 1. 1アンペアで1秒照射するときの発生陽子数は 1.0 / 1.6E-19 = 6.25E18（個） 2. 10nAで1秒照射するときの発生陽子数は 6.25E18 x 10 x 1E-9 = 6.25E10（個） Totfact = 6.25E10としたときの吸収線量は1.2740(Gy) （陽子294MeV入射の場合） Answer to Step 5 12 ステップ６：雪だるまの芯を溶かす ために必要となる電流を計算する 1. 雪だるまは-10℃の氷と仮定する 2. 1秒間の陽子ビーム照射で一気に氷を0℃に加熱して溶かすために 必要なビーム電流（アンペア）及び出力（ワット）を手計算で求めよう ヒント • • • • 氷の比熱は0.5 (cal/g/K) = 2.1 (J/g/K)とする 氷の融解熱（相転移に必要な熱量）は333.5（J/g）とする 1Gy = 1（J/kg） = 0.001（J/g） ビーム出力（MW） ＝ 粒子エネルギー（MeV）×電流（A） ちなみに… 国内最大出力を誇るJ-PARCの最大ビーム出力は約1MW Step 6 13 ステップ６の回答 1. 10nAで294MeV陽子ビームを1秒間照射したときの吸収線量は？ 2. 氷の温度を10K上昇させ，溶かすために必要な熱量は？ 3. 1秒間でその熱量を与えるために必要な電流は？ 4. このときのビーム出力は？ 雪だるまを溶かすためには，1MW弱のビーム出力が必要となる （詳細な回答は，answer\answer-snowman-jp.pptに書いています） • 現在の加速器技術では，雪だるまを溶かすのが精一杯 （ただし，長時間照射すれば金属も溶かせる） • ガンダム級のビームライフル（一瞬でモビルスーツを爆破 する）を作るためには，まだまだ技術革新が必要！ Answer to Step 6 14 まとめ • 雪だるま体系を作り，それを陽子ビームで溶か すための最適な条件をPHITSで計算した • PHITSのタリー結果は，通常，線源１つ発生当 たりに規格化される • 実際の条件を模擬するためには，totfactパラ メータを用いてタリー結果を再規格化する必要 がある Summary 15
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