Including Delbrck scattering in GEANT4

GEANT4におけるデルブリュック散乱の取込み

Omer, M.  ; 羽島 良一*

Omer, M.; Hajima, Ryoichi*

原子核あるいは原子による線の弾性散乱は、線と物質の相互作用に関連付けられ、レイリー散乱、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱がある。線の弾性散乱を模擬するモンテカルロシミュレーションコードのほとんどは、現状では弾性散乱の全体像をカバーしていなく、レイリー散乱の寄与のみを取り扱い、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱は無視されている。われわれは弾性散乱を模擬(シミュレート)するために、最も一般的なオープンソースのGeant4に、レイリー散乱に加えて、核トムソン散乱及びデルブリュック散乱を取込んだコードを開発した。この際のシミュレーションでは、これまでのフォームファクタ近似に基づくデータに代り、二次散乱行列に基づく微分散乱断面積を使っている。また、これらの3つの散乱プロセスの重ね合わせは、散乱振幅の複素数表示を考慮して慎重に行わった。このシミュレーションは、線エネルギー範囲0.01E3MeVと1Z99の原子番号を持つすべての元素をカバーしている。さらに、われわれは、以前の実験で測定された微分断面積とシミュレーションから得られる微分断面積とを比較することによって、シミュレーションを検証した。この検証では、シミュレーションの結果は、実験の測定値と良い一致を示している。実験とシミュレーションとの違いは、線エネルギーが2.754MeVで、ウランで21%、鉛で24%、タンタルで3%、及びセリウムで8%であった。高Z.(ウランや鉛)における比較的大きな差は、デルブリュック散乱振幅に対するクーロン補正により説明できる。

Elastic scattering of -rays by an atom nearly associates all their interactions with matter. Therefore, the planning of experiments, involving measurements of -rays, using Monte Carlo simulations usually includes the elastic scattering. However, current simulation tools do not provide a complete picture of the elastic scattering. The majority of these tools assume Rayleigh scattering is the primary contributor to the elastic scattering and neglect other elastic scattering processes, such as nuclear Thomson and Delbrck scattering. Here, we develop a tabulation-based method to simulate elastic scattering in one of the most common open-source Monte Carlo simulation toolkits, GEANT4. We collectively include three processes, Rayleigh scattering, nuclear Thomson scattering, and Delbrck scattering. Our simulation more appropriately uses differential cross sections based on the second-order scattering matrix instead of current data, which is based on the form factor approximation. Moreover, the superposition of these processes is carefully taken into account emphasizing the complex nature of the scattering amplitudes. The simulation covers an energy range of 0.01 MeV E 3 MeV and all elements with the atomic numbers of 1 Z 99. In addition, we verified our simulation by comparing the differential cross section measured in earlier experiments to those extracted from the simulations. We find that the simulations are in good agreement with the experimental measurements. Differences between the experiments and the simulations are 21% for uranium, 24% for lead, 3% for tantalum, and 8% for cerium at 2.754 MeV. Coulomb corrections to the Delbrck amplitudes may account for the relatively large differences that appear at higher Z values.