第16回QUEST研究会～核融合技術の進展と球状トカマク研究～
2019年10月3日-4日
九州大学応用力学研究所W601号室及び同W606号室

計算コードPHITSを利用したX線計測の改善
東京大学新領域
渡邉理, 青井優樹, 山崎響, 江尻晶, 辻井直人, 高瀬雄一

PHITS ver. 3.11 粒子・重イオン輸送計算コード Particle and Heavy Ion Transport code System• Tatsuhiko Sato, Yosuke Iwamoto, Shintaro Hashimoto, Tatsuhiko Ogawa, Takuya Furuta, Shinichiro Abe, Takeshi Kai, Pi-En Tsai, Norihiro Matsuda, Hiroshi Iwase, Nobuhiro Shigyo, Lembit
Sihver and Koji Niita, “Features of Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS)
version 3.02”, J. Nucl. Sci. Technol., 2018,• https://doi.org/10.1080/00223131.2017.1419890• Yosuke Iwamoto, Tatsuhiko Sato, Shintaro Hashimoto, Tatsuhiko Ogawa, Takuya Furuta, Shinichiro Abe, Takeshi Kai, Norihiro Matsuda, Ryuji Hosoyamada and Koji Niita, Benchmark studyof the recent version of the PHITS code, J. Nucl. Sci. Technol. 54:5, (2017) 617-635.

背景X線計測を用いて、プラズマに対する、200MHz電磁波加熱・電流駆動への影響を調べる。
• コリメータの後ろに検出器を並べる分布計測。
• 計測されるプラズマからの信号は三種類。（他外来） 視野内のプラズマから来るX線
 遮蔽できずに透過減衰したノイズX線
 構造物で散乱減衰したノイズX線
隙間から侵入する・反射して後ろから回り込むなどの、信号を歪める原因を計算で再現を試みる。

実験データの検証と遮蔽構造の開発
計測値線源
実物の配位→実験の再現

単純な線源
実物の配位→透過特性確認

X線カメラPIRTUS用のコリメータの設計

計測値線源
単純な配位→遮蔽能力確認

単純な線源
複雑な配位→遮蔽構造開発

単純な線源
単純な配位

TST-2の計測視線

CH1
CH2
CH3

200MHz電磁波入射用
コムラインアンテナ

CH4CH5コリメータ
LYSO

200MHz電磁波
変調実験

20

閉磁気面

−0.02

0200MHz電磁波を15-60msの間、入射。
200 MHz net [kW]

−0.01

10

20-110msまでプラズマ電流を維持
SN165830

0SN165832

10050

100000.03

0.04
Time [s]0.050.06

25-60msの間、200MHz電磁波を、1kHzで変調。
X線信号を、山谷に分けて積算。
垂直磁場は、65msまではほぼ一定。
最外殻磁気面ROUT=0.51 m
磁気軸Zmaxisは、ほぼ赤道面

0.2

100.1

500.600.1

0.400.20−0.1

0.050.1

CH1:内側視線 ピンホールからの信号数と、シンチレータを鉛で遮蔽した場合の信号数の比率線R 。
CH5:外側視線1を超える
S

実効温度
実行温度

10−310

CH1: 101 [kev]CH2: 64.3 [keV]
CH3: 56.5 [keV]
CH4: 52.9 [keV]
CH5: 35.8 [keV]

10−410[B] Pinhole − modulation off−210−310

CH1: 32.5 [kev]CH2: 25.9 [keV]
CH3: 17.0 [keV]
CH4: 15.4 [keV]
CH5: 18.2 [keV]Power [keV/ms]

Power [keV/ms]−510

実効温度は50-100keVで算出−1−31010−410[A] modulation on−2S[A] Pinhole − modulation on−510CH1CH2CH3CH4CH5−210〇 Pinhole● Shut−off−3−2[B] modulation off

10−310信号数減衰率RS≈1/20くらいか−410−41010010−110−210−510−510−30200
Energy [keV]

4000100
Energy [keV]

10200

Lines: Count number ratios of Pinhole to Shut−off R−2010

LYSO（Lu1.8Y0.2SiO5:Ce）について

 2000年にLu2SiO5とY2SiO5 から合成 [D. W. Cooke, et al, J. Appl. Phys., vol. 88(12), pp.7360-7362, Dec. 2000.] NaIと比べ数倍高速かつ75%程度の光量が得られ、高密度のため光電吸収比が大きい（より高エネルギーまで感度を持つ）
 LYSO結晶中に2.6%含まれる176Luが放射する~600 keVのX線による自己汚染が問題
NaIより数倍短いシンチレーション光の減衰時間
VPMT = 15.0 V
Vctr = 0.805 V

176Luに由来する自己汚染（1”x 1” 結晶で約3.5 kcps）

57Co-124 keV

LYSO background

LYSO

NaI

1” LYSO結晶
133Ba-81 keV

高い実効原子番号による高い吸収効率

1” NaI
1” LYSO

133Ba-359 keV

LYSO background山崎響
資料

LYSO（Lu1.8Y0.2SiO5:Ce）について②NaIとの特性値の比較Scintillator

Relative
efficiency

Decay
time

Wavelength

Density

NaI(Tl)100 %230 ns415 nm3.67 g/cm3

LYSO

75 %

40 ns

420 nm

7.20 g/cm3

コリメートされた300 keVのX線ビームを入射した際の光電比の比較
250G particles

300 keV
Photon sourcePbpinholeScintillator
crystal(LYSO)

250G particles

30 mm

300 keV
Photon source

Photopeak= 95.2 %Allfor LYSO

Photopeak= 76.7 %Allfor NaI

Scintillator
crystal(NaI)

Calculated by PHITS [T. Sato, et al., “Features of Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) version 3.02”, J. Nucl. Sci. Technol., vol.55(6), pp.684-690, Jun. 2018.]

山崎
響資料

テーパ型コリメータを利用した
TST-2のHX計測構造図
鉛箱が覆う: 真空領域と仮定

CH1(201)-CH5(205)：
光ファイバー配置

LYSOは φ60-D3 mmの一枚ディスク

ピンホールとCH1(201)が直線となる光源から侵入

タングステンコリメータと鉛遮蔽の隙間からの侵入コリメータから信号を遮断してみる
コリメータとLYSOの間の空間を鉛封鎖

SUSネジも評価コリメータから信号を遮断した計算

信号数1000万。LYSOには届かない。

侵入口を塞ぐためICF(107)をタングステンと仮定

300keV入射-CH1(201)スペクトルICFフランジをWに仮定すると、X線信号は多少は減る。

Spectrum: CH1 LYSO
−6

コリメータの後ろで、LYSOの表面すべてを鉛で覆うと、信号はほぼなくなる。

2

Flux [1/cm /source]

10−8101/20程度という実測値は、高めのエネルギーですら、再現できなかった。

PinholeICF−W
Pb shield−101000.10.2
Energy [MeV]

0.3

Spectrum: CH2 LYSO

Spectrum: CH3 LYSO
−6Flux [1/cm /source]−81022Flux [1/cm /source]

10−1000.20.1
Energy [MeV]−810−10

PinholeICF−W
Pb shield

10Pinhole
ICF−W
Pb shield

100.3

0Spectrum: CH4 LYSO
−60.3

−610

Flux [1/cm /source]−810220.10.2
Energy [MeV]Spectrum: CH5 LYSO

10Flux [1/cm /source]

CH1以外の信号−610−10−10Pinhole
ICF−W
Pb shield

1000.1
0.2
Energy [MeV]−810Pinhole
ICF−W
Pb shield

100.3

00.10.2
Energy [MeV]

0.3

現状
正面からの信号は、実測ではコリメータを塞ぐと1/20程度の減衰。しかし、計算では再現できていない。（信号が0になる。）
計算では、タングステンのコリメータと鉛リングの隙間を抜けてくる（ ICFと窓ガラスを透過して差し込む）X線がある。

今後
 計算と実験データを比較し、コリメータを通過したX以外の信号の、遮蔽物構造物を考える。
 隙間の減衰・透過特性等、モデル計算を通して、より少ない遮蔽（軽くて取り廻せる遮蔽）で、X線計測を行えるようにする。

PHITS計算の近似計算セルの中で密度を平均化する。
↓
壁表面を含むセルを通る粒子は、左右の例では、同じ扱いを受けるはず