Numerical intercomparison of PHITS and Geant4 Monte Carlo codes for fast neutron inelastic scattering applications

PHITSとGeant4モンテカルロコードの速中性子非弾性散乱応用に関する数値比較

Meleshenkovskii, I.*; Van den Brandt, K.*; 小川 達彦   ; Datema, C.*; Mauerhofer, E.*

Meleshenkovskii, I.*; Van den Brandt, K.*; Ogawa, Tatsuhiko; Datema, C.*; Mauerhofer, E.*

速中性子散乱による非破壊分析は物質の成分分析手法として有用であるが、分析に用いられる中性子ビームや測定器には様々なパラメータがあり、実際の応用のためにはモンテカルロ放射線輸送計算コードによるシミュレーションなどで最適化する必要がある。しかし、モンテカルロ放射線輸送計算コードは核データや反応モデルによって散乱反応の観測量を計算していることから、既存コードが速中性子散乱を正確に描像できるかどうか、またコード間で観測量にどれほどの差異が生じるかは、信頼性の高いシミュレーションのために必要となる。そこで本研究では、世界的に広く用いられているモンテカルロ放射線輸送計算コードとしてPHITSとGeant4を例にとり、速中性子散乱における観測量を計算して相互に比較した。標的としてはホウ素、鉄、ネオジム、ディスプロシウムを用い、これらが2.5MeVの中性子に照射された際に、標的から出射する中性子のエネルギースペクトルを計算した。また、中性子照射された標的から生じるガンマ線を検出することを想定し、100keVから9000keVのガンマ線を、CeBrガンマ線検出器で検知した場合の波高スペクトルを計算した。これらの計算の結果、標的からの出射中性子スペクトルはホウ素ターゲットの場合に弾性散乱ピークと非弾性散乱成分の間に両コードで異なる傾向が見えるほかは、よく合致することが分かった。この傾向についても、弾性散乱の計算アルゴリズムの違いが原因であることが示唆されている。

Fast neutron inelastic scattering is a promising non-destructive assay technique for various analytical applications. As an active neutron interrogation technique, its performance is a function of various different factors and parameters that require optimization. Monte Carlo simulation codes are indispensable for such tasks. However, the internal simulation routines implemented in such codes can rely on different physical models that can yield discrepancies in the simulation results. In this work we conduct an intercomparison of PHITS and Geant4 codes performance in application to fast neutron inelastic scattering simulations. The goal of this paper is twofold. First, we explain the differences in code configuration with respect to gamma and neutron transport, as well as internal simulation routines. Second, we conduct a performance assessment of the two codes using two different measurement configurations. One configuration consisted of a source of gamma-rays in a broad energy range (100 keV - 9000 keV) and a CeBr detector. The other configuration consisted of a monoenergetic 2.5 MeV fast neutron source, Fe, Nd, Dy, B targets and a CeBr detector. Selected simulation configurations were chosen with a goal to compare the performance differences in neutron energy distribution, produced prompt gamma-rays and energy deposition in CeBr detector between the two codes. Results of our study reveal a good coherence of both codes performance in the application of fast neutron inelastic scattering simulations. The simulation geometries and observed differences are described in detail.