Transcript 応用実習5: PHITSとDCHAIN

PHITS
Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System
誘導放射能の評価方法：
PHITSとDCHAIN-SPの接続計算
2015年6月作成
Title
1
本実習の目的
 PHITSでは，放射線が物質に入射した直後に生成す
る放射能は計算可能だが，その放射能が時間ととも
にどう変化するか計算することはできない
 DCHAIN-SPとは，放射性核種の生成・崩壊を計算し，
放射能や放射性核種の壊変に伴う発熱・γ線の生成
が時間とともにどう変化するか評価するプログラム
本実習では，PHITSとDCHAIN-SPを組み合わせた誘導
放射能の評価方法や，誘導放射能から放出されるγ線
の挙動をPHITSで再解析する手法を学習します
Purpose
2
用語の解説
 放射能：
・ 放射性物質が壊変して放射線を放出する性質
・ 放射能の強さ （単位：Bq ＝ 崩壊/秒）
※ベクレルは、ウランの塩類から放射線が出ていることを発見（1896）
 放射性物質（放射性核種、放射性同位元素とも言われる）：
・ 放射能を持つ物質（核種、同位元素）
 放射線：
・ エネルギーを持って媒質中を伝搬している粒子
（PHITSで挙動解析可能な陽子・中性子・光子など）
⇒ 放射線・放射性物質ともに規制の対象になる。
Glossary
3
実習内容
1. 使用方法の概要
2. [t-dchain]のパラメータ設定
3. DCHAIN-SPの出力ファイル
4. 演習
5. まとめ
Table of Contents
4
PHITSとDCHAIN-SPの接続計算の流れ
PHITS
DCHAIN-SP
粒子輸送計算
計算結果
照射中・照射後の任意時間における
 生成核種毎の放射能（Bq)
 放射能による崩壊熱（W）
 放射能からの生成γ線スペクトル
[t-dchain]タリーによる
ファイル作成
 DCHAIN-SPの基本入力ファ
イル(file=で指定)
 [t-yield]による核種生成率
（*.dyld, nmtc_yield）
 [t-track]による20MeV以下の
中性子エネルギースペクトル
（*.dtrk, n.flux_**)
 DCHAIN-SP用のデータリンク
先情報(dch_link.dat)
放射性核種の生成・崩壊計算
DCHAIN-SP用データライブラリ
 1968群中性子放射化断面積ライブラリ
 γ線スペクトル＆崩壊データライブラリ
 電子捕獲＆β+崩壊比ライブラリ
Overview
5
接続計算の流れを体験
 dchain.inpをPHITSで実行（送る→PHITS）
（tdchain.out, .dtrk, .dyld, dch_link.dat,
n.flux_***, nmtc_yieldが作成される）
 tdchain.outをDCHAIN-SPで実行（送る→DCHAIN)
（tdchain.lst, .act, .pht, .ang, .gsd, .gso, .alr, .epsが作成される）
tdchain.eps
領域別の誘導放射能の
時間変化
Overview
6
[t-dchain]タリーの出力ファイル
 tdchain.out: 基本入力ファイル
（[t-dchain]のfile=でファイル名を指定）
 tdchain.dyld: [t-yield]で計算した核種生成率
 nmtc_yield: DCHAIN-SP入力形式に変換した放射性核種生成率
 tdchain.dtrk: [t-track]で計算した中性子エネルギースペクトル*
 n.flux_***: DCHAIN-SP入力形式に変換した中性子エネルギースペクトル
 dch_link.dat: DCHAIN-SP用データライブラリ格納フォルダ名
([parameters]セクションのfile(21)で指定）
*原理的には[t-yield]の出力のみから誘導放射能の時間変化を計算可能で
すが，計算精度を向上させるため，20MeV以下の中性子により生成される
誘導放射能は別途DCHAINで計算するようにしています
Ytotal  
20MeV
0MeV
t-track (E) (E)dE  Yt-yield
Overview
7
DCHAIN-SPの出力ファイル
 tdchain.ｌｓｔ: 基本出力ファイル
 tdchain.act: 詳細な計算結果（放射能，崩壊熱，線量率，
誘導放射能によるγ線エネルギースペクトル）
 tdchain.pht: PHITS入力形式でのγ線エネルギースペクトル
 tdchain.ang: ANGEL入力形式での放射能，崩壊熱，線量率
 tdchain.eps: 上記ファイルをANGEL処理した画像ファイル
 tdchain.gsd: MCNP入力形式でのγ線エネルギースペクトル
 tdchain.yld: 照射・冷却終了時の核種生成量
 tdchain.gso:γ線の起源核種とその寄与割合
 tdchain.alr: 放射能及び崩壊熱
Overview
8
使用上の注意点
 DCHAIN-SP入力ファイルで必要となるパラメータの一部は，
[t-dchain]セクションにて定義できます
 初期値は，一般的な放射能計算に適した値となっています
 初期値から変更する場合は，パラメータの意味を十分に理
解した上で変更して下さい
 パラメータの意味は，DCHAIN-SPのマニュアル*をご参照
下さい *
/phits/dchain-sp/manual/DCHAIN-SP2014-jpn.pdf
現バージョンの制限
 1つのインプットファイルで１つしか[t-dchain]セクションは定義できません
 Meshはregのみ指定可能で，複合セル（複数の領域をまとめて出力）機能
は使用できません
Overview
9
実習内容
1. 使用方法の概要
2. [t-dchain]のパラメータ設定
3. DCHAIN-SPの出力ファイル
4. 演習
5. まとめ
Table of Contents
10
PHITS計算結果の確認
yz-track.eps
150 MeV陽子
水
真空
円柱の水（半径10cm，高さ10cm）を3個並べた体系の一端
（cell番号：1）から、150MeVの陽子を打ち込む
Parameter Setting
11
[T-Dchain]を使うための設定
dchain.inp
[Parameters]
...
$ must option for DCHAIN
jmout =
1
# (D=0) Density echo, 0:input, 1:number density
file(21) = c:/phits/dchain-sp/data # dchain data folder name
e-mode =
0
# (D=0) Event generator mode
…
[ V o l u m e ] $ must section for DCHAIN
reg vol
1 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm)
2 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm)
3 pi*c1*c2**2 $ c1&c2: height and radius of cylinder (cm)
 DCHAIN-SPでは，評価対象領域の原子数密度が必要となるため，[volume]
セクションとjmout（原子数密度で密度を出力するオプション）の定義は必須
 20MeV以下の中性子による誘導放射能は別途評価するため，Event
Generator Mode（e-mode)は使わない
 file(21)でDCHAIN-SP用のデータベース格納フォルダを指定
Parameter Setting
12
[T-Dchain]の構成
dchain.inp
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton into water
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19 # (D=1.0) Source Intensity
必要最低限の条件入力
（パラメータ）：
・ file （出力ファイル名）
・ mesh （領域）
・ amp、timeevo （照射履歴）
・ outtime （出力時間）
Parameter Setting
13
[T-Dchain]の入力パラメータ
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
 file：DCHAINの入力ファイル名
・ 禁止ファイル名（= 関連する出力ファイル名）：
***.dtrk, ***.dyld, ***_err.dyld, ***.dout,
***.lst, ***.yld, ***.gsd, ***.gso, ***.alr,
***.act, ***.ang, ***.pht, n.flux_01～n.flux_99,
nmtc_yield, dch_link.dat
PHITSもしくはDCHAINが上記名前のファイルを
自動的に作成するため
Parameter Setting
14
[T-Dchain]の入力パラメータ
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
 mesh：評価対象領域の指定
mesh = reg
他のタリーとは異なり、現在は reg のみ有効
 amp：線源の基準強度 (source/秒)
 timeevo：照射・冷却時間ステップの数
（照射履歴）
timeevo = の次行からは、照射時間または冷
却時間と相対照射強度をtimeevo 個入力す
る。このとき、時間の単位は、秒(s)、分(m)、
時(h)、日(d)、年(y)とし、数値と単位の間には
1つ以上の空白を入れること。
6.0 m 1.0 → 100%の出力で6分間照射
50.0 m 0.0 → 50分間の冷却期間
Parameter Setting
15
[T-Dchain]の入力パラメータ
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
 outtime：計算結果出力時間の数
outtime = の次行からは、計算結果出力
時間を outtime 個入力する。このとき、時
間の単位は、秒(s)、分(m)、時(h)、日(d)、
年(y)とし、数値と単位の間には1つ以上
の空白を入れること。
 正の数値：計算開始時からの通算時間
 負の数値：最後の照射終了時間からの時間
timeevoで指定した通算時間を超えた入力は不可
（この例の場合は56分以降）
Parameter Setting
16
timeevoとouttimeの関係
dchain.inp
[T–Dchain]
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
照射・冷却時間ステップと
計算結果出力時間の関係
照射履歴 ← timeevoで指定
照射 6.0 m
冷却 50 m
（分）
計算結果出力時間
← outtimeで指定
設定不可
Parameter Setting
17
outtimeの負の数値入力
Manual
[T–Dchain]
mesh = reg
reg = 100
file = testDC.spd
title = [t-dchain] test calc.
amp = 1.0E12
timeevo = 4
3.0 h 1.0
2.0 h 0.0
3.5 h 1.0
15.5 h 0.0
outtime = 3
3.0 h
-1.0 h
-3.0 h
照射・冷却時間ステップと
計算結果出力時間の関係
照射履歴 ← timeevoで指定
照射
3.0 h
照射
3.5 h
最後の
照射終了時間
2.0 h
15.5 h
冷却
冷却
時間
3.0 h
1.0 h
3.0 h
設
定
計算結果出力時間
← outtimeで指定 不
可
Parameter Setting
18
実習内容
1. 使用方法の概要
2. [t-dchain]のパラメータ設定
3. DCHAIN-SPの出力ファイル
4. 演習
5. まとめ
Table of Contents
19
DCHAINの標準出力ファイル
 tdchain.lst： サマリーファイル（phits.outのようなもの）
ファイルの最後にエラーが出力される場合があります
*** error message from main ***
primary file is not found.
file name = /spd-dcylib
↑ 計算に必要なライブラリファイルが見当たらない。
 解決策1： PHITSの入力 file(21)でアドレスを正しく指定する。
 解決策2： dch_link.dat を手動で書き直す。
*** error message from s.rdinpt ***
total flux of neutron irradiation was less than 0.
no. of region= 1 jmode= 2 fluxs= 0.0000E+00
↑ 中性子束（フラックス）が 0 の領域がある。
 解決策1： PHITSの試行回数を増やして再計算する（再開始計算でも可）
 解決策2-1：全領域が 0 の場合は、jmode = 0 にする
 解決策2-2：一部の領域が0の場合は，入力ファイルからその領域の情報を除く
DCHAIN-SP Output
20
DCHAINのテキスト出力ファイル
 tdchain.act： 誘導放射能の計算結果（Bq、W、μSv/h m2）
※ 領域毎、出力時間毎
のテキスト形式で、
放射能等が出力される。
← 領域
← 出力時間
崩壊熱
線量率定数×Bq
誘導放射能
これ以外にも様々な情報を持ったテキストファイルが出力される（マニュアル参照）
DCHAIN-SP Output
21
DCHAINの画像出力ファイル
tdchain.eps
誘導放射能
崩壊熱
β崩壊熱*
γ崩壊熱*
α崩壊熱*
線量率**
各領域（点＋線）及び全領域（太線）での出力時間変化
*β線，γ線，α線毎の崩壊熱
**放射能を点線源と仮定した場合に，線源から1m離れた地点における周辺線量当量率
DCHAIN-SP Output
22
実習内容
1. 使用方法の概要
2. [t-dchain]のパラメータ設定
3. DCHAIN-SPの出力ファイル
4. 演習
5. まとめ
Table of Contents
23
現在の設定を確認
dchain.inp
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
tdchain.eps
 6分（360秒）後に放射能の最大値をとる
 表面から深くなるにしたがって放射能が下がる
（領域１＞領域２＞領域３）
Exercise
24
dchain.inp
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 2
6.0 m 1.0
50.0 m 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
課題１
現在
照射時間を変更してみよう
 6.0 m 1.0 → 100%の出力で6分間照射
 50.0 m 0.0 → 50分間の冷却期間
変更後




100%の出力で5分間照射
5分間冷却
50%の出力で10分間照射
1時間冷却
timeevo：照射・冷却時間ステップの数
timeevo = の次行からは、照射時間または冷
却時間と相対照射強度をtimeevo 個入力する。
このとき、時間の単位は、秒(s)、分(m)、時(h)、
日(d)、年(y)とし、数値と単位の間には1つ以上
の空白を入れること。
→ PHITS，DCHAINと続けて実行
Exercise
25
dchain.inp
[T-DCHAIN]
$ must section for DCHAIN
title = 150MeV proton
mesh = reg
reg = 1 2 3
file = tdchain.out
timeevo = 4
5.0 m 1.0
5.0 m 0.0
10.0 m 0.5
1.0 h 0.0
outtime = 7
1.0 m
3.0 m
6.0 m
10.0 m
20.0 m
30.0 m
40.0 m
$ beam current (nA)
set:c21[100.0]
amp = c21*1.0e-9/1.602e-19
課題１（解答）
tdchain.eps
 20分（1200秒）後に再び放射能が増えた
Exercise
26
課題２
tdchain.out
(30行目以降）
! --- irradiation time --itstep =
4
5.0000E+00 m 1.0000E+00
5.0000E+00 m 0.0000E+00
1.0000E+01 m 5.0000E-01
1.0000E+00 h 0.0000E+00
! --- output time --itout =
7
1.0000E+00 m
3.0000E+00 m
6.0000E+00 m
1.0000E+01 m
2.0000E+01 m
3.0000E+01 m
4.0000E+01 m
出力時間を変更してみよう
現在
照射開始から
1, 3, 6, 10, 20, 30, 40分後（7点）
変更後
照射開始から
1, 3, 5, 7, 10, 13, 16, 20, 25, 30, 40分後（11点）
（計算時間の掛かる方は，点数を減らしてもOK）
itout：計算結果出力時間の数
[t-dchain]のouttimeパラメータに相当
→tdchain.outのみ変更して再度DCHAINのみを実行
Exercise
27
課題２（解答）
tdchain.out
(30行目以降）
! --- irradiation time --itstep =
4
5.0000E+00 m 1.0000E+00
5.0000E+00 m 0.0000E+00
1.0000E+01 m 5.0000E-01
1.0000E+00 h 0.0000E+00
! --- output time --itout =
11
1.0000E+00 m
3.0000E+00 m
5.0000E+00 m
7.0000E+00 m
1.0000E+01 m
1.3000E+01 m
1.6000E+01 m
2.0000E+01 m
2.5000E+01 m
3.0000E+01 m
4.0000E+01 m
照射時間や出力時間を変更するだけ
なら，PHITSの再計算は不要！
Exercise
28
誘導放射能を線源とした再計算
tdchain.pht： PHITS入力形式で出力された崩壊γ線のスペクトル
tdchain.pht
← 領域毎
← 出力時間毎
規格化定数
←直方体線源（s-type=5）
→領域域全体のγ線放出率(/sec)
線源発生領域の設定
直方体の大きさ（x0、x1、y0、y1、
z0、z1で定義）は、線源領域が
全てカバーできる大きさに各自
で設定する必要があります。
DCHAINは領域の形や大きさが分からないため
 線源方向は等方線源(dir=all)
 エネルギー分布は連続スペクトル(e-type=4)で表現します
Exercise
29
dchain.inp
[ S o u r c e ] off
s-type = 1
…
[Source]
totfact = 2.4444E+10
s-type = 5
proj = photon
reg =
1
x0 =
x1 =
y0 =
y1 =
z0 =
z1 =
dir = all
e-type = 4
ne =
37
$
Energy Flux
$
^^^^ Energy
0.0010 3.8688E+04
0.0100 0.0000E+00
0.0200 0.0000E+00
…
課題３
誘導放射能を線源として再計算してみよう
1. 現在の[source]セクションをoff
2. tdchain.phtの1つ目の[source]セクショ
ン（領域1，出力時間1分後に対応）をコ
ピー&ペースト
3. 線源発生領域を適切な大きさに設定
領域1は
-10 cm < x < 10 cm
-10 cm < y < 10 cm
0 cm < z < 10 cm
に含まれる
 全体がカバーできていれ
ばピッタリでなくてもよい
 大きすぎると問題あり
→ dchain.inpを変更してPHITSを実行
Exercise
30
dchain.inp
課題３（解答）
[ S o u r c e ] off
s-type = 1
…
[Source]
totfact = 2.4444E+10
s-type = 5
proj = photon
reg =
1
x0 = -10.0
x1 = 10.0
y0 = -10.0
y1 = 10.0
z0 =
0.0
z1 = 10.0
dir = all
e-type = 4
ne =
37
$
Energy Flux
$
^^^^ Energy
0.0010 3.8688E+04
0.0100 0.0000E+00
0.0200 0.0000E+00
…
yz-track.eps，3ページ目
領域１全体から光子が発生している
Exercise
31
実習内容
1. 使用方法の概要
2. [t-dchain]のパラメータ設定
3. DCHAIN-SPの出力ファイル
4. 演習
5. まとめ
Table of Contents
32
まとめ
 DCHAIN-SPとは，放射能や放射性核種の生成・崩
壊に伴う発熱・γ線の生成が時間とともにどう変化
するか計算するプログラムである
 PHITS入力ファイルに[t-dchain]タリーを設定すれ
ば，その計算結果からDCHAIN-SPの入力ファイル
を自動で作成することができる
 DCHAIN-SPを使うことにより，PHITS単体では得ら
れなかった誘導放射能の時間変化など，放射線照
射による長期的な影響が評価可能となる
Summary
33
今後の開発予定
 [T-Dchain]を複数個設定できるようにする。
 誘導放射能（崩壊ガンマ線）による被ばく線量等評価
を支援するため、[Source]の機能を拡張する。
※ 規格化の自動化，離散スペクトルで表現など
 xyzメッシュが設定できるようにする。
 DCHAIN計算オプションを開発する。
※ PHITSの中でDCHAINが動作するようにする
Summary
34