Development and validation of generalized Monte Carlo track-structure simulation model applicable to arbitrary ions in arbitrary materials

任意のイオン・材質に対して適用可能な汎用型モンテカルロ飛跡構造解析モデルの開発と検証

小川 達彦   ; 平田 悠歩   ; 松谷 悠佑  ; 甲斐 健師   

Ogawa, Tatsuhiko; Hirata, Yuho; Matsuya, Yusuke; Kai, Takeshi

任意の物質・任意のイオン照射において、電離や励起等を個々にシミュレートしながら放射線挙動を解析できる飛跡構造解析モデルITSART Ver.2を開発した。一般のイオン輸送アルゴリズムは、数千の原子反応をまとめて1イベントとして計算するため、計算が高速ではあるが電離など原子レベルの反応を識別することはできない。また従来の飛跡構造解析モデルは水や生体分子のみにしか使えず、入射粒子も陽子線や炭素線などの医療目的の粒子線に限られていたことから、本モデルの汎用性は画期的である。本モデルを汎用的飛跡構造解析モデルとして開発するにあたり、多くの工夫が必要であることを本研究では突き止め、それらを実現した。具体的には、電離で発生する二次電子のエネルギー・角度分布、標的核への運動量移行、原子脱励起モデルとの接続であり、これらを実装したことで多くのベンチマークデータを再現することができた。特に重い元素標的に照射した場合のビーム軸外縁における線量や、二次電子スペクトルに見られる原子固有のオージェ電子ピークが再現できたことは、標的物質が水だけであった従来研究に比べて特に顕著な進歩である。こうして開発されたITSART Ver.2はPHITSの次期リリースから実装される予定であり、炉材料や半導体などの放射線影響を解析するための強力なツールとして期待される。

A track structure simulation model, ITSART Ver.2, has been developed to simulate the transport of arbitrary ions in arbitrary materials, accounting for every atomic interaction on an event-by-event basis. Unlike conventional track structure models, which are typically designed for therapeutic particle beams or bio-molecular targets, ITSART Ver.2 uniquely enables track structure calculations for any ion-material combination across an energy range from 10 eV/n to 1 TeV/n. To validate the developed model, the energy-angular distributions of secondary electrons, ion stopping ranges, radial dose distributions, and microscopic dose distributions calculated by ITSART Ver.2 were benchmarked against literature data. The unique features of ITSART Ver.2, including kinetic modeling of secondary electrons above 1 keV, modeling of secondary electron angular distribution, consideration of momentum transfer to target atoms, and interface with an atomic de-excitation model, resulted in calculations that were consistent with the benchmarking data. Furthermore, this benchmarking calculation demonstrated that ITSART Ver.2 can reproduce target-specific quantities such as Auger electron production and penumbra radial dose, which cannot be simulated with conventional codes that approximate the target as water. The capability of ITSART Ver.2 to perform track structure calculations under unconventional conditions paves the way for simulating various irradiation eff ects, such as reactor material irradiation damage, semiconductor device degradation, and other complex interactions.