New algorithm for Monte Carlo particle-transport simulation to recover event-by-event kinematic correlations of reactions emitting charged particles

モンテカルロ粒子輸送計算において荷電粒子を放出する反応の運動学的相関を再現する新しいアルゴリズム

小川 達彦   ; 佐藤 達彦   ; 橋本 慎太郎  ; 仁井田 浩二*

Ogawa, Tatsuhiko; Sato, Tatsuhiko; Hashimoto, Shintaro; Niita, Koji*

インクルーシブ断面積と運動量・エネルギー保存則に従いながら、核反応イベント毎のエネルギーや運動量を復元する新しい放射線輸送計算アルゴリズムを開発した。これまでのモンテカルロ計算アルゴリズムでは、粒子の平均的挙動を解析することはできたが、平均値周りの分散を考慮することはできなかった。さらに、核反応から生じる二次粒子の運動や残留核の反跳を計算することは不可能であった。この問題を解決するために、PHITSで平均値周りの分散や二次粒子・残留核の挙動を解析するイベントジェネレータモードをさらに改良し、従来精度に問題のあった(n,np),(n,na)などの荷電粒子放出反応にも適用できるようにした。さらに、この新しいアルゴリズムの影響力を評価するため、線量換算係数の評価やソフトエラー見積り、放射線損傷計算など様々なケーススタディに適用し、その影響が顕著であることを示した。なお、この新しいアルゴリズムはイベントジェネレータモードバージョン2として、2014年夏リリースのPHITSバージョン2.70以降に実装され、ユーザーに配布されている。

We develop a new radiation transport calculation algorithm to recover event-by-event quantities based on inclusive cross-section data with conserving energy and momentum. In radiation transport calculations based on inclusive cross-section data, conventional algorithms could predict average behavior of the particles, however, they could not consider fluctuations around the average. Moreover, calculation of kinematics among secondary particles and recoiled residues resulted from reactions were out of their scope. To overcome these difficulties, we developed a new algorithm which reproduces particle emission in each reaction in exact accordance with the chosen reaction channel. The algorithm makes it possible to predict event-by-event quantities such as nuclear recoil, secondary particle and energy spectra, in all kinds of reaction channels. To evaluate the impact of the new algorithm, it was applied to various simulation studies such as dose conversion coefficient evaluation, soft-error analysis and radiation damage prediction. The calculated data shows that the new algorithm is indispensable for such simulation studies.