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Verification of KURBUC-based ion track structure mode for proton and carbon ions in the PHITS code

KURBUCコードに基づいた陽子・炭素イオンに関するPHITSイオン飛跡構造計算モードの検証

松谷 悠佑; 甲斐 健師; 佐藤 達彦; Liamsuwan, T.*; 佐々木 恒平*; Nikjoo, H.*

Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi; Sato, Tatsuhiko; Liamsuwan, T.*; Sasaki, Kohei*; Nikjoo, H.*

汎用放射線輸送計算コードPHITSは、広範なエネルギーの様々な粒子の物質中における挙動を模擬できる計算コードである。最新版PHITS version 3.20では、世界的に最もよく検証された飛跡構造計算コードの一つであるKURBUCのアルゴリズムに基づいて、一次イオン(陽子・炭素イオン)の挙動、二次粒子生成(1meV$$sim$$1MeVのエネルギーを有する電子)の計算を可能とするイオン飛跡構造計算モード(PHITS-KURBUCモード)を開発、実装した。本研究では、陽子及び炭素イオンの挙動に関して、PHITS-KURBUCモードで得られる飛程,動径線量,微視的エネルギー付与分布について、文献で報告される推奨値や実測値と比較することで検証した。この検証から、KURBUCコードのPHITSへの組み込みに成功したことを確認した。さらに、従来からPHITSで対象としていたより巨視的な空間領域の計算機能とPHITS-KURBUCによる微視的計算モードの相乗効果により、拡大ブラッグピークを用いた陽子線治療などの複雑な放射線場下における微視的エネルギー付与分布の詳細な計算が可能となった。本研究の成果は、放射線物理,放射線防護,医学物理,放射線生物学をはじめとした次世代の放射線研究手法の発展に貢献するものである。

A general-purpose Monte Carlo radiation transport simulation code, Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS), has the ability to handle diverse particle types over a wide range of energy. In PHITS version 3.20, ion track structure mode has been developed based on the algorithms in the KURBUC code, which enables to simulate the atomic interactions by primary ion and secondary particles (named as PHITS-KURBUC mode). In this study, we compared the range, radial dose distributions, and microdosimetric distributions calculated using the PHITS-KURBUC mode to the corresponding data obtained from the original KURBUC and from other studies. These comparative studies confirm the successful inclusion of the KURBUC code in the PHITS code. As results of the synergistic effect between the macroscopic and microscopic radiation transport codes, this implementation enabled the detailed calculation of the microdosimetric and nanodosimetric quantities under complex radiation fields, such as proton beam therapy with the spread-out Bragg peak. This PHITS-KURBUC mode is expected to pave the way for next-generation radiation researches, such as radiation physics, radiological protection, medical physics, and radiation biology.

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