核データを用いた大気中の宇宙線輸送計算-- Cosmic-Ray
Cosmic-Ray Transport
Transport Simulation
Simulation inin thethe Atmosphere
Atmosphere -○佐藤 達彦（JAEA），仁井田 浩二（RIST）
2007/1/26 Symposium of Nuclear Data 2006FY @ Tokai

Table of Contents•研究の背景＆目的(Background & Purpose)•粒子輸送計算コードPHITSの紹介(Introduction of the PHITS code)•PHITSとJENDL/HEを組み合わせた大気中宇宙線輸送計算(Atmospheric propagation simulation by PHITS coupled with JENDL/HE)•大気中宇宙線スペクトル解析モデルの確立(Development of analytical model for estimating atmospheric cosmic-ray spectra)•まとめ＆今後の予定(Summary & Future Plan)1

研究の背景研究の背景-- Background
Background --大気中の中性子が引き起こす問題
Problems caused by cosmic-ray neutron
Geomagnetic Field
SEP

Aircrew exposure

GCR

Electromagneticcascade

航空機乗務員の宇宙線被ばく

Pion
Proton•ICRPが90年勧告で職業被ばくに認定•文科省WGが各航空会社に5mSv/yearの自主管理を要求

半導体ソフトエラー
Soft-error of semi-conductor devices

従来：放射線強度の強い環境でのみ問題
NeutronMuon

Earth’s Surface

Atmospheric Propagationof Cosmic-Ray

近年：地表面においても大きな問題

大気中の中性子スペクトルに対する大気中の中性子スペクトルに対する高精度計算方法の確立が切実に要求
高精度計算方法の確立が切実に要求
Precise calculation of cosmic-ray
neutron is requested for various purpose2大気中中性子スペクトル計算の現状
大気中中性子スペクトル計算の現状-- Former-ray Neutron
Former Studies
Studies onon Estimating
Estimating Cosmic
Cosmic-ray
Neutron Spectra
Spectra --大気入射宇宙線スペクトル計算
Calculation of incident cosmic-ray spectra on earth
Geomagnetic Field
SEP

GCR

•銀河宇宙線基本スペクトル•太陽風による減衰効果•地磁気による低エネルギー粒子遮断効果

CREME96, NASA model，OMEREElectromagnetic
cascadePion

大気中宇宙線輸送計算

ProtonAtmospheric propagation simulation of cosmic-ray•大気モデル（密度・元素組成）•粒子輸送計算コード（1次元or3次元）

FLUKA, LUIN, HZETRN, GEANT, CORSIKA
NeutronMuon

高度依存性・スペクトル形状を再現不可
高度依存性・スペクトル形状を再現不可
核反応モデルの不確かさに起因

Earth’s Surface

PHITSとJENDL高エネルギーファイルを組み合わせた大気中粒子輸送計算を実施

Atmospheric Propagationof Cosmic-Ray

We developed new simulation model
based on PHITS coupled with JENDL/HE

3

Table of Contents•研究の背景＆目的(Background & Purpose)•粒子輸送計算コードPHITSの紹介(Introduction of the PHITS code)•PHITSとJENDL/HEを組み合わせた大気中宇宙線輸送計算(Atmospheric propagation simulation by PHITS coupled with JENDL/HE)•大気中宇宙線スペクトル解析モデルの確立(Development of analytical model for estimating atmospheric cosmic-ray spectra)•まとめ＆今後の予定(Summary & Future Plan)

4

PHITSの概要
PHITSの概要-- Features
Features ofof thethe PHITS
PHITS CodeCode -Particle
Particle andand HeavyHeavy Ion
Ion Transport
Transport code
code System
System

開発の歴史 History of PHITS development
1951

NMTC(ORNL)

1983

NMTC/JAERI1997

NMTC/JAERI97

高エネルギー核分裂

2001

2003

NMTC/JAM

PHITS

全ての核子
< 200 GeV

重イオン核データ

扱える物理現象 Physics in PHITS
幅広いエネルギー範囲の全ての粒子に対する輸送及び核反応
10-5eV〜100GeV/n

中性子，陽子，π，μ光子，電子，重イオン

３次元空間 核データライブラリ
INC，QMD重力，磁場も考慮

適用例 Application fields of PHITS

加速器設計

粒子線治療線量評価

宇宙開発分野5

PHITSの使用例
PHITSの使用例-- Example
Example ofof PHITS
PHITS Calculation
Calculation --J-PARCの遮へい設計

Shielding Calculation of J-PARC ProjectBe reflector
EnergyDepositiontt == 1000
10042010nsec
nsec
nsec
nsec
Fe reflector
Moderators

ProtonHg target

Moderators

Hg target

水銀ターゲット付近の発熱量計算
Heat around the Hg target calculated by PHITS
6

Table of Contents•研究の背景＆目的(Background & Purpose)•粒子輸送計算コードPHITSの紹介(Introduction of the PHITS code)•PHITSとJENDL/HEを組み合わせた大気中宇宙線輸送計算(Atmospheric propagation simulation by PHITS coupled with JENDL/HE)•大気中宇宙線スペクトル解析モデルの確立(Development of analytical model for estimating atmospheric cosmic-ray spectra)•まとめ＆今後の予定(Summary & Future Plan)

7

シミュレーション方法
シミュレーション方法-- Simulation
Simulation Procedure
Procedure --地球O, Si, Al, H
6378.14km

86km

大気圏：US Standard Air1976
N, O, Ar (Ca), H, 28層

大気入射宇宙線スペクトルモデル

地球＋大気モデル

Incident cosmic-ray spectrum model

Model of the earth & atmosphere

CREME96

実サイズでモデル化
US-Standard Air 1976

地磁気強度・太陽活動周期の違い
によるスペクトルの変化を考慮

高度による空気密度・温度変化を考慮

インプットファイルとしてPHITSに組み込み大気中の宇宙線挙動をシミュレーション
インプットファイルとしてPHITSに組み込み大気中の宇宙線挙動をシミュレーション

大気中の中性子スペクトルを計算

8

核反応モデル
核反応モデル-- Nuclear
Nuclear Reaction
Reaction Model
Model -JENDL高エネルギーファイル（JENDL/HE）を採用した計算
0.001eV
1MeV 20MeV 1GeV 2.5GeV 3.5GeV
100 GeV
NeutronJENDL/HE
INC
JAM
ProtonKilledJENDL/HEINCJAM
Heavy Ion
Killed
JQMD
JAMQMD
Pion
KilledMuon
KilledPhotonKilledElectron&Positron
Killed

核内カスケードモデル（INC）を採用した計算
NeutronProtonHeavy Ion
Pion
Muon
PhotonElectron&Positron

JENDL3.2
KilledKilledKilledKilledKilledKilled0.001eV

1MeV

INC

JAM
JAM
JAMQMD
JAM

INC
JQMD
INC
SPAR
ITS3.0ITS3.0Killed20MeV 1GeV 2.5GeV 3.5GeV

100 GeV9計算結果
計算結果-- Results
Results ofof thethe Simulation
Simulation --Exp. (Goldhagen et al. [1])Simulation (JENDL/HE)
Simulation (INC)

0.1

Exp. (Nakamura et al.[2])Simulation (JENDL/HE)
Simulation (INC)

–1

0.5

2

d = 218 g/cm (~11.28 km)
rc = 12 GV
smin

00.60.42

d = 201 g/cm (~11.8km)
rc = 4.3 GV
smin–2 –1–2 –1–1

Neutron Flux (cm s lethargy )

10.2

2

d = 101 g/cm (~16.0 km)
rc = 0.7 GV
smin

Neutron Flux (cm s lethargy )

1.5

0.2
00.0042

d = 1030 g/cm (ground level)
rc = 2.7 GV
smin

0.04

2

d = 558 g/cm (~4.88km)
rc = 12 GV
smin

0.02

00.0022d = 1025 g/cm (ground level)
rc = 10 GV
smax

0.001

0.0020 –8100–410010Neutron Energy (MeV)

4100 –810–410010410Neutron Energy (MeV)

大気中の中性子スペクトル（実験値との比較）
Calculated neutron spectra in the atmosphere in comparison with experimental data
10JENDL/HEJENDL/HE VS
VS 核内カスケードモデル
核内カスケードモデル-- Comparison
Comparison between
between JENDL/HEJENDL/HE andand INC
INC model
model --

Cross section (arb. unit)

10–4150 MeV neutron on O target
Acceptance angle = 45 deg
Neutron

10–6Proton * 0.1JENDL/HE
INC model in PHITS
10–8050100

150

Secondary Particle Energy (MeV)

150MeV中性子＋酸素原子核反応により発生する2次粒子スペクトル
Secondary particle spectra produced by n(150MeV)+O reaction

大気中宇宙線輸送計算における中性子透過率の過大評価
大気中宇宙線輸送計算における中性子透過率の過大評価
This discrepancy causes the overestimation of the cosmic-ray neutron spectra11大気中宇宙線輸送シミュレーションのまとめ
大気中宇宙線輸送シミュレーションのまとめ-- Summary-Ray -Summary ofof Atmospheric
Atmospheric Propagation
Propagation Simulation
Simulation ofof Cosmic
Cosmic-Ray

大気中中性子スペクトル
Cosmic-Ray Neutron Spectrum

PHITSとJENDL/HEを組み合わせたシミュレーションは，世界初の快挙！！
測定値を極めて精度良く再現
Simulation employing PHITS coupled with JENDL/HE canreproduce experimental data
First in the world !!

大気中宇宙線輸送計算 ≒ 加速器遮へい設計
Atmospheric cosmic-ray propagation simulation ≒ Shielding design of accelerator facility

入射粒子：高エネルギー荷電粒子
遮へい体：主に軽核で構成される厚い物体（大気≒1000g/cm2）
大気中中性子スペクトル測定実験は，最良の遮へい実験の一種
JENDL/HEを用いれば，従来よりも適切な加速器の遮へい設計が可能になる？
JENDL/HE can also play an important role in the high-energy accelerator shielding design12Table of Contents•研究の背景＆目的(Background & Purpose)•粒子輸送計算コードPHITSの紹介(Introduction of the PHITS code)•PHITSとJENDL/HEを組み合わせた大気中宇宙線輸送計算(Atmospheric propagation simulation by PHITS coupled with JENDL/HE)•大気中宇宙線スペクトル解析モデルの確立(Development of analytical model for estimating atmospheric cosmic-ray spectra)•まとめ＆今後の予定(Summary & Future Plan)

13

解析モデルの開発
解析モデルの開発-- Development
Development ofof thethe Analytical
Analytical Model
Model --

パラメータ

Cosmic-ray neutron spectra depend on …

•高度(Altitude)：高いほど大きい*（10000mで約100倍程度）•地磁気緯度(Cut-off rigidity)：高い（磁極に近い）ほど大きい（約3倍程度変動）•太陽活動(SMP)：活動が激しいと小さい（約30％程度変動）•周辺環境(Local geometry)：水分が多いと小さい（約50%程度変動）

簡易計算式
Analytical function to reproduce MC resultsc4 ( rc , d ) = a5 ( rc ) +c3⎛E⎞⎛ −E ⎞
φB ( E ) = c1 ⎜ ⎟ exp ⎜⎟⎝ c2 ⎠⎝ c2 ⎠⎧⎪ − [log10 ( E ) − log10 ( c5 )]2 ⎫⎪+ c4 exp ⎨⎬22 [log10 ( c6 )]⎩⎪⎭⎪a6 d1 + a7 exp ( a8d )⎫⎫⎡ E ⎤ ⎪⎧
⎡ E ⎤ ⎪⎪⎪⎧
log10 [ f G ( E , w) ] = g1 + g 2 log10 ⎢⎨1 − tanh ⎨ g 4 log10 ⎢⎬⎬⎥⎥⎣ g 3 ( w) ⎦ ⎪⎩⎣ g5 ( w) ⎦ ⎭⎪ ⎭⎪⎩⎪⎡⎡⎛ E ⎞ ⎧⎪⎛ E ⎞ ⎤ ⎫⎪ ⎪⎧⎛ E ⎞ ⎤ ⎪⎫+ c7 log10 ⎜ ⎟ ⎨1 + tanh ⎢ c9 log10 ⎜ ⎟ ⎥ ⎬ ⎨1 − tanh ⎢ c11 log10 ⎜ ⎟ ⎥ ⎬⎝ c12 ⎠ ⎦ ⎭⎪⎝ c8 ⎠ ⎩⎪⎝ c10 ⎠ ⎦ ⎭⎪ ⎪⎩⎣⎣ai ( s, rc ) = bi1 ( s ) +bi 2 ( s )1 + exp [(rc − bi 3 ) bi 4 ]大気中の任意地点*における中性子スペクトルの導出に成功！
Succeeded in estimating cosmic-ray neutron spectra at anywhere in the world !

*高度20km以下のみ対応

詳細はT.Sato et al. Radiat. Res. 166, 544 (2006) 14

解析モデルによる結果
解析モデルによる結果-- Results
Results ofof thethe Analytical
Analytical Model
Model --

Exp. (Goldhagen et al. [1])Simulation (JENDL/HE)
Simulation (INC)
EXPACS

0.1–1

0.5
00.60.42

d = 201 g/cm (~11.8km)
rc = 4.3 GV
smin

0.200.004

2d = 1030 g/cm (ground level)
rc = 2.7 GV
smin

00.04

Exp. (Nakamura et al.[2])Simulation (JENDL/HE)
Simulation (INC)
EXPACS

2d = 558 g/cm (~4.88km)
rc = 12 GV
smin

0.02

00.0022

d = 1025 g/cm (ground level)
rc = 10 GV
smax

0.0010.002

0 –8102d = 218 g/cm (~11.28 km)
rc = 12 GVsmin–2 –1–2 –1–1

Neutron Flux (cm s lethargy )10.22

d = 101 g/cm (~16.0 km)
rc = 0.7 GV
smin

Neutron Flux (cm s lethargy )1.5–410010

Neutron Energy (MeV)

4100 –810–410010

410

Neutron Energy (MeV)

大気中の中性子スペクトル（実験値との比較）

Calculated neutron spectra in the atmosphere in comparison with experimental data
15

EXPACSの開発
EXPACSの開発-- Development
Development ofof EXPACSEXPACS -EXcel-based
EXcel-based Program
Program forfor calculating
calculating Atmospheric
Atmospheric Cosmic-rayCosmic-ray Spectrum
Spectrum

入力情報
Input Information•高度（km, ft, g/cm2)•地磁気強度：COR (GV)
•太陽活動：SMP (MV)
•周辺環境：航空機の大きさ
地面の水分含有量

出力情報
Output Information•中性子スペクトル•H*(10) (uSv/h)•実効線量(uSv/h)•ユーザー指定応答

ソフトエラー発生率BGR
検出器応答関数 etc.

EXPACSサンプル画面
Web上で一般公開
Open for public via its web site
16

EXPACSの中性子線量率予測精度に関する検証
EXPACSの中性子線量率予測精度に関する検証-- Benchmark
Benchmark Calculation
Calculation ofof EXPACSEXPACS inin terms
terms ofof Neutron
Neutron DoseDose -アメリカ(LANL)
COR≒4GV
日本
COR≒12GV
Neutron Dose Rates in Various LocationsLocation (Altitude)
Los Alamos (2200m)
Tokai-mura（10m）*Mt. Fuji (40m)*Mt. Fuji (2600m)
Air@Nagoya(20500ft)
Air@Nagoya(28500ft)*Kowatari et al.

Detector
DARWINDARWIN
Bonner Ball
Bonner Ball
Rem-Counter
Rem-CounterExp. (uSv/h)
0.058
0.00770.00640.034
0.24**
0.45**

Cal.(uSv/h)
0.052
0.00650.0055
0.034
0.23
0.48

世界各地のCut-off Rigidity（地磁気の強さ）**高エネルギー寄与
補正済み

地球上任意地点における中性子線量を精度約10%の範囲内で予測可能！
地球上任意地点における中性子線量を精度約10%の範囲内で予測可能！
17Table of Contents•研究の背景＆目的(Background & Purpose)•粒子輸送計算コードPHITSの紹介(Introduction of the PHITS code)•PHITSとJENDL/HEを組み合わせた大気中宇宙線輸送計算(Atmospheric propagation simulation by PHITS coupled with JENDL/HE)•大気中宇宙線スペクトル解析モデルの確立(Development of analytical model for estimating atmospheric cosmic-ray spectra)•まとめ＆今後の予定(Summary & Future Plan)

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まとめ
まとめ-- Summary
Summary --大気中宇宙線輸送計算
Atmospheric Propagation Simulation of Cosmic-Rays

PHITSとJENDL/HEを組み合わせたシミュレーションは，大気中の中性子スペクトルに対する測定値を極めて精度良く再現
Simulation employing PHITS coupled with JENDL/HE canreproduce experimental data for cosmic-ray neutron spectra

大気中中性子スペクトル予測モデル
Analytical Model for Estimating Cosmic-Ray Neutron Spectra

シミュレーション結果を解析し，従来の方法よりも簡便で精度良く予測可能なモデルを確立
Develop an analytical model that can predict neutron
spectra precisely in comparison with former models

EXPACSを開発
地球上任意地点における中性子線量を精度約10%以内で予測可能
Develop EXPACS, which can estimate cosmic-ray neutron
dose at anywhere in the world within 10% accuracy
19

今後の予定（其の一）
今後の予定（其の一）-- Future
Future Plans
Plans (I)(I) --

中性子以外の粒子に対する大気中スペクトル計算
Atmospheric Propagation Simulation of Cosmic-Rays
010Effective Dose Rate (uSv/h)

PHITS AnalyticalNeutronProtonαμ–+e +ePhoton2Exp. PHITS EXPACS
Total
NeutronProton
αμ–+e +e
PhotonPreliminary

2Flux(/MeV/cm /s)

10–5101010010210Energy (MeV)

4100–20500

21000

Atmospheric Depth (g/cm )高度12kmにおけるスペクトル＠東京

線量率高度変化＠東京

Spectra at 12km altitude @ Tokyo

Altitude dependence of doses @ TokyoJENDL/HEを用いた計算では，μ，e±, γの計算不可
π生成チャンネルのJENDL/HEへの組込が強く期待
π生成チャンネルのJENDL/HEへの組込が強く期待
Incorporation of pion-production channel is strongly requested

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今後の予定（其の二）
今後の予定（其の二）-- Future
Future PlansPlans (II)(II) --

航路線量計算プログラムの開発
Development of Route-Dose Calculation Code

JISCARD（Webベース，放医研）
線量計算モデル：CARI-6（米国）
開発した解析モデル
結果を航空会社に提供
被ばく線量の自主規制（5mSv/年）に役立てる
used in voluntary action for managing aircrew dose

他の惑星へ適用
Application to other planets

Martian Surface•有人火星飛行時の放射線影響評価•惑星表面の放射線環境
惑星表面の元素構成
惑星科学分野に応用
Apply the simulation technique to planet science
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