Performance of voxel and mesh phantoms in PHITS

ボクセルファントムとポリゴンファントムに対するPHITSの性能

古田 琢哉   

Furuta, Takuya

近年、モンテカルロ放射線輸送計算コードPHITSでは、四面体メッシュ体系を利用できる機能を導入し、国際放射線防護委員会(ICRP)が提供を予定するメッシュ形状の線量評価用人体ファントム等の利用が可能になった。本機能の導入に際しては、輸送計算中に検索する四面体やその面の数を合理的に制限する独自のアルゴリズムも組み込んだ。これにより、計算時間の大幅な短縮に成功し、同数のメッシュ数であれば、微小直方体の積み上げで構成するボクセルメッシュと同程度の計算時間で四面体メッシュ体系の輸送計算を実行可能にした。さらに、四面体メッシュでは異なるサイズおよび形状の四面体を組み合わせることで、ボクセルメッシュよりも少ないメッシュ数で人体ファントム等の複雑体系を表現できる。そのため、四面体メッシュ人体ファントムを採用することで、計算時間を短縮することが可能である。このPHITSの性能については、本機能を水ファントムと人体ファントムに対して適用し、ボクセルメッシュと四面体メッシュを採用した場合での計算時間の比較により実証した。さらに、ICRPのメッシュ形状人体ファントムに対する外部被ばく計算を実行し、計算結果を他のモンテカルロコード(MCNP, Geant4)と比較したベンチマークテストも実施した。

Recently polygon phantoms with tetrahedral-mesh became treatable in PHITS by implementation of a new function. Using this function, radiation transport simulation of external radiation exposure of the new ICRP mesh-type reference computational phantoms becomes possible. The function was introduced together with an original algorithm to limit number of elements and surfaces in search during the transport calculation to reduce the computational cost. Owing to this algorithm, efficient transport calculation in tetrahedral-mesh geometries was realized as good as in voxel-mesh geometries with the same number of meshes. The tetrahedral-mesh can represent complex structures such as human phantoms with a much smaller number of meshes compared to the voxel representation and thus the computational speeds of radiation transport simulation using human phantoms can be faster with tetrahedral-mesh representation. The performance of PHITS was demonstrated by a comparison of the computational time between the voxel and tetrahedral-mesh for radiation transport calculations in water and human phantoms. Benchmark studies using the ICRP mesh-type reference computational phantoms in comparison with other Monte Carlo codes such as MCNP and Geant4 were also performed.