平成29年度卒業論文 - Kyoto University of Educationnatsci.kyokyo-u.ac.jp/~takasima/sotsuron/thesis2017/...γ線がシンチレーション（検出器）内に入ってきたときに引き起こされる相互作用として

平成29年度　卒業論文

Geant4シミュレーションとγ線測定

平成 30 年 2 月 13 日

京都教育大学　理科領域専攻　基礎物理学研究室

学籍番号　 141214

村田　大樹

目次

1 序論 5

1.1 はじめに . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.2 本研究について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3 放射線について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.1 α線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.2 β線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.3.3 γ線 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 γ線によるシンチレーションとの相互作用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.1 光電効果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4.2 コンプトン散乱 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4.3 電子対生成 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5 γ線スペクトル [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5.1 光電ピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5.2 全エネルギーピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5.3 コンプトン連続部・コンプトン端 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5.4 ダブルエスケープピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5.5 シングルエスケープピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 γ線源について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6.1 コバルト 60 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6.2 トリウム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 γ線測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.1 NaIシンチレーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7.2 マルチチャンネルアナライザー（MCA） . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2 Geant4によるシミュレーション 15

2.1 Geant4とは . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.2 環境 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.3 シミュレーションの方法 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.4 rdecay02とその書き換え . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.1 rdecay02（オリジナル） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.4.2 Geometory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.4.3 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.5 シミュレーションに用いたマクロ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5.1 Co60.mac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.5.2 Th232.mac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.6 シミュレーション結果 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1

3 ROOTによる解析 24

3.1 γ線測定によって得られたデータの解析 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.1 ヒストグラムの出力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

3.1.2 ピークに対するフィッティング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Geant4シミュレーションによって得られたデータの解析 . . . . . . . . . . . 30

3.2.1 ヒストグラムの出力 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 解析結果の考察 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.1 γ線測定の結果について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

3.3.2 シミュレーションの結果について . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

4 まとめ 37

5 謝辞 38

6 付録 39

6.1 DetectorConstruction.cc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6.2 Geant4 Visualization Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2

図目次

1.1 コンプトン散乱の概念図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.2 光電ピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3 コンプトン連続部・コンプトン端 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4 ダブルエスケープピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.5 シングルエスケープピーク . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.6 実験器具概念図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.7 NaIシンチレーター . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.8 マルチチャネルアナライザー（MCA） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1 rdecay02(オリジナル) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2 rdecay02(オリジナル,別視点) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3 変更後World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4 変更後Detector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.5 変更後 Target . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.6 rdecay02（変更後） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.7 rdecay02(変更後，別視点) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.8 Geant4 Material DatabaseによるNaIの組成 . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.9 Geant4実行中の図 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

3.1 Co60によるスペクトル (gain2) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3.2 Co60(gain2)左ピークのフィッティング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

3.3 Co60(gain2)右ピークのフィッティング . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.4 横軸変換後のヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.5 Thによるヒストグラム . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.6 Thによるヒストグラム（y軸対数） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.7 シミュレーションによるヒストグラム (Co60) . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.8 シミュレーションによるヒストグラム (Co60，log(y) . . . . . . . . . . . . . 32

3.9 シミュレーションによるヒストグラム (Th232) . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.10シミュレーションによるヒストグラム (Th232，log(y)) . . . . . . . . . . . . 34

3.11 Tl208によるエネルギースペクトル . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.12 Tl208からPb208への崩壊（LEDERER,HOLLANDER,PERLMAN『Table

of Isotope』より引用） . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3

概要本研究は実際に放射性元素を用いたγ線測定実験とその実験を再現するシミュレーション

をGeant4を用いて行い、それぞれで高エネルギーγ線のスペクトルの測定を行った。その過程で、エネルギーピークを確認するためのヒストグラムを作成するために必要な、ROOT

を用いた解析も行っている。実験とシミュレーションの結果、Co60とTh232においてエネルギーピークを確認するこ

とができた。また、実際の実験によって得たヒストグラムでは明確にピークを確認できない場合であっても、Geant4を用いたシミュレーションによって明確なピークを確認することができ、Geant4の有用性を確認することができた。

4

1 序論

1.1 はじめに

Geant4については物理実験や免許更新講習での基礎物理学研究室高嶋教授の授業などで扱ってきた。その中で放射線という目では見ることができないものをシミュレートし、視覚的にその様子を確認できるようにすることで、放射線に対する理解がより深まるのではないかと感じ、今回の卒業論文のテーマとして取り上げるきっかけとなった。Geant4について卒業論文を執筆するにあたって、高嶋教授からの「ただシミュレーションするだけでは物足りない」というご指摘から、Geant4によるシミュレーションとγ線測定実験を比較してGeant4の性能などについて確認を行うこととなった。

1.2 本研究について

本研究では実際にγ線測定の実験を行った結果とGeant4でシミュレーションした結果を比較し、Geant4によって出された検出結果がどのような点で優れているのか、また劣っているのかについて調べる。また、高エネルギーγ線を測定しヒストグラムを用いて確認する。

1.3 放射線について

1.3.1 α線

α線とは、ある種の放射性同位元素の原子核から出てくるα粒子の流れであり、α粒子とは高い運動エネルギーを持つヘリウム 4の原子核（陽子 2個，中性子 2個）のことである。ヘリウムの原子核ということから水素原子のほぼ 4倍の質量とちょうど 2倍の正電荷を帯びている。α粒子は電気を帯びていることや、速度がβ線（電子線）よりもかなり遅いことにより電離作用が著しく、物質中を進む際、すぐにエネルギーを失って止まってしまう。水や人体などでは 0.1mmしか進まず、透過力が弱いといえる。

1.3.2 β線

β線はある種の放射性同位体元素から放出される高速の電子である。電子であることから通常 e ≃ 1.6× 10−19クーロンの電荷を帯びているが、親のアイソトープの種類により陽電子を放出するものもある。また、β線はα線より速度がずっと速く、光速度に近いため物質中を通過するときに電離作用によるエネルギー損失が少ない。そのため物質中でもかなりの透過力を示す。

5

1.3.3 γ線

γ線はある種の放射性同位体元素から放出される波長がおよそ 10pmよりも短い電磁波である。α線やβ線とは異なり、光の仲間であるので光速度で進む。このような非常に短い波長や光速度であるという点から透過力が非常に強い。透過力が非常に強いということは、直接には電離作用を起こすことがほとんどないということである。しかしγ線は 1.4で示すようないろいろな相互作用により、二次電子をたたき出すことで間接的に電離作用を引き起こしている。γ線は X線と波長領域の一部が重なっているため、これらは発生過程により区別される

ことがある。γ線の発生過程は原子核内部のエネルギー準位の遷移によって発生するものであり、具体的にはα崩壊やβ崩壊後の原子核が、励起状態から基底状態に遷移する際にγ線を放出する。また、X線は原子核内部での発生起源のものを指し、エネルギーだけでγ線とX線を区別することはできない。

1.4 γ線によるシンチレーションとの相互作用

γ線がシンチレーション（検出器）内に入ってきたときに引き起こされる相互作用としては、光電効果、コンプトン散乱、電子対生成の 3つが挙げられる。

1.4.1 光電効果

光電効果とは紫外線のような波長の短い光（γ線）を金属面に照射すると、入射光子が金属原子と相互作用を起こして光子は完全に消滅し、金属面から電子が飛び出す現象であり、飛び出した電子のことを光電子と呼ぶ。光が波であるとすれば電子が光から受けるエネルギーは、光の強度と光を受ける時間の長さに比例すると考えられる。つまり振動数の小さい光でも長時間当て続けることで大きなエネルギーを与えることができ光電効果を引き起こすことができるはずである。だが、実験的研究により金属に照射する光の振動数 ν が、その金属特有の限界振動数 ν0よりも小さいと光の強度が強くても光電子は飛び出さないことや、たとえ光の強度が弱くても、限界振動数より大きな振動数の光を照射すると直ちに光電子が飛び出すなどの現象より、光電効果を説明する際には光を波ではなく粒子の流れとして扱う必要がある。振動数が νの光をエネルギーE = hνを持つ粒子の流れであるとした場合、金属内部の電子 1個を金属外部に取り出すために必要なエネルギーをW0とすると、光電効果を起こすための条件は hν > W0であり、限界振動数 ν0は ν0 = W0/hである。飛び出した光電子の運動エネルギーKmは照射する光による光子の持つエネルギーE = hνよりも電子を取り出すためのエネルギーW0 = hν0の分だけ小さく、

Km = E −W0 = hν − hν0 ( 1.1)

となり、この式からKmは光の振動数 νに比例することがわかる。

6

1.4.2 コンプトン散乱

コンプトン散乱とは、電磁波が物質に衝突して散乱するとき、その物質の電子にエネルギーを与えることで入射波の波長より衝突後の波長が長くなる現象である。このとき最初静止していた電子にエネルギーが与えられ電子が飛び出す。今電子を反跳電子と呼ぶ。コンプトン散乱はγ線が引き起こす相互作用の主要な過程となっている。[4]

　

　

図 1.1: コンプトン散乱の概念図　

相対論的に考えたエネルギー保存則と運動量保存則から、コンプトン散乱における散乱光子のエネルギーを求める。入射光子の振動数を ν0、散乱光子の振動数を ν、衝突する電子の質量をmeとしたとき散乱光子のエネルギーは、

hν =hν0

1 + hν0mec2

(1− cos θ)( 1.2)

となる。また、エネルギーを受け取った反跳電子のエネルギーEe− は、

Ee− =hν0

1 + mec2

hν0(1−cos θ)

( 1.3)

となる。

1.4.3 電子対生成

電子対生成とは、光子（γ線）が自分が消滅する代わりに電子と、その反粒子となる陽電子を生み出す現象のことである。電子対生成を発生させるには、電子，陽電子の質量をme

とすると 2mec2のエネルギーが必要である。よって入射するγ線は 1.02MeV(mec

2 = 0.51)

という高いエネルギーが必要である。γ線のエネルギーがこのエネルギーの値を超えた場

7

合、その超えたエネルギーは電子対生成によって生成された電子と陽電子に運動エネルギーという形で付与される。よって以下の式が成り立つ。

Ee− + Ee+ = hν − 2mec2 ( 1.4)

また、生成された陽電子は安定な粒子ではないため、陽電子のエネルギーが吸収物質内の電子の熱エネルギー程度になると、陽電子は電子と結合して消滅する。このとき消滅した電子と陽電子のエネルギー、それぞれmec

2(0.511MeV)を持った 2本のγ線が発生する。このとき発生するγ線を消滅γ線と呼ぶ。

1.5 γ線スペクトル [1]

検出器の大きさにより得られるエネルギースペクトルは異なってくるが今回は実験に用いた検出器と同程度のものを想定する。

1.5.1 光電ピーク

光電効果による過程の中で、電子を取り出すためのエネルギーは電子の結合エネルギーであり、光電子放出後に電子核にできる空孔の再配列の際に、主に特性 Xとして放出される。このとき発生した特性X線は 1mm以下の距離を進んだ後、光電効果を起こして最終的に光電効果を起こせず吸収される。このように光電効果によりγ線から受け取った運動エネルギーを持つ光電子と、結合エネルギーによって作られた 1個以上の電子が放出される。これらが検出器によってすべて観測されたとすれば、発生したすべての電子のエネルギーの和は入射γ線のエネルギーに等しい。このような現象によりエネルギースペクトルにはエネルギーピークが現れる。このピークを光電ピークと呼ぶ。

　

　

図 1.2: 光電ピーク　

8

1.5.2 全エネルギーピーク

検出器の大きさがそれほど小さくない場合、光電効果や多重コンプトン散乱、電子対生成が検出器内で完結する場合がある。この場合観測されるエネルギーは入射γ線のエネルギーと等しく、エネルギースペクトルは光電ピークと等しくなる。すなわち光電ピークと全エネルギーピークとは言葉の意味合い的な使い分けがされるが、内容は同じものである。

1.5.3 コンプトン連続部・コンプトン端

コンプトン散乱における散乱γ線のエネルギーについての式 (2.2)と、エネルギーを受け取った反跳粒子のエネルギーについての式 (2.3)を用いて、入射γ線の反射角度が θ ≃ 0のときと θ = πのときを考える。θ ≃ 0のときは入射γ線はほとんど角度を変えず、直線的に進む。式 (2.2)と式 (2.3)から、hν ≃ hν0および、Ee− ≃ 0となる。これより入射γ線は散乱γ線とほぼ同じエネルギーになり、反跳電子はほとんどエネルギーを持たないことがわかる。また、θ = πのときは、入射γ線は後方へ跳ね返り、反跳電子は入射γ線の進行方向へと進んでいく。式 (2.2)、式 (2.3)より、

hν|θ=π =hν0

1 + 2 hν0mec2

( 1.5)

Ee− |θ=π =hν0

1 + mec2

2hν0

( 1.6)

となる。実際の検出器では四方八方に反跳電子が散乱することから、θ ≃ 0から θ = πまでの反跳電子のエネルギー分布は以下のようになり、連続的にエネルギーが観測されている部分をコンプトン連続部、コンプトン連続部の終端をコンプトン端と呼ぶ。

　

　

図 1.3: コンプトン連続部・コンプトン端　

9

1.5.4 ダブルエスケープピーク

ダブルエスケープピークとは、電子対生成によって生成された陽電子が電子結合することで発生する 2本の消滅γ線が、両方とも相互作用をせず検出されることなく検出器外へ出て行くことで、電子と陽電子の運動エネルギーだけが観測されて生じるピークのことである。式 (2.4)からわかるように、ダブルエスケープピークは光電ピークより観測されなかった 2

本のγ線に受け渡されたエネルギー 2mec2(1.02MeV)だけ低い位置にできる。

　

　

図 1.4: ダブルエスケープピーク　

1.5.5 シングルエスケープピーク

ダブルエスケープピークでは 2本の消滅γ線が両方とも相互作用を起こさず検出器外へ出て行ったが、シングルエスケープピークでは片方の消滅γ線は検出器外に出て、もう片方の消滅γ線は検出器に吸収されるという現象もしばしば起こる。この現象によって光電ピークより検出器外に逃げていった 1本の消滅γ線エネルギーであるmec

2(0.511MeV)分だけ低いエネルギーの位置にシングルエスケープピークができる。

10

　

　

図 1.5: シングルエスケープピーク　

1.6 γ線源について

1.6.1 コバルト 60

コバルト 60とはのコバルトの同位体の一種であり、原子番号 27の人工放射性元素である。半減期は 5.27年。安定な（普通の）元素であるコバルト 59の原子核に中性子を照射することで、原子核が 1個の中性子を吸収して放射性元素のコバルト 60となる。コバルト 60

はベータ崩壊をしてニッケル 60となり、0.328MeVのエネルギーを持つβ線を放出する。そして崩壊生成物のニッケル 60がγ崩壊をして 2本の強いγ線（1.17MeVと 1.33MeV）を放出する。

6027Co −→ 60

28Ni + e− + γ ( 1.7)

1.6.2 トリウム

トリウムとは原子番号 90の金属元素である。天然に存在する同位体は放射性を持つトリウム 232だけである。半減期は 140.5億年と非常に長く、地殻中にも多く含まれるが、水に溶けにくい性質から海水中にはあまり含まれない。トリウムはトリウム系列というトリウム232から鉛 208までの崩壊過程を経て崩壊する。崩壊過程の中で、タリウム 208から最終的な崩壊生成物である鉛 208になる際にγ線を放出する。

11

1.7 γ線測定

γ線測定は食品中の放射線濃度の測定などを行うために必要な放射性核種の特定の際に一般的に用いられている。α線やβ線は弱透過性放射線のため自己遮断されやすい性質を持ち放射性核種の特定の際に専門的な技術が必要となる。それに対しγ線は透過力があり、透過しても大部分のガンマ線はエネルギーを失わずに放出される。そのためγ線のエネルギースペクトルから放射線核種の特定が容易にできるのでγ線を用いた測定が利用されている。γ線スペクトルの計測に用いられる検出器としては放射線の入射により電子－正孔対を作

る半導体測定器と、弱い光を出すシンチレーターが主に用いられている。シンチレーターとはシンチレーション（閃光、蛍光）という非常に弱い光を出すものであり、光による電気信号を増幅させ、検出を可能にするための光電子増倍管と組み合わせて用いられている。

　

　

図 1.6: 実験器具概念図　

1.7.1 NaIシンチレーター

NaIシンチレーターはヨウ化ナトリウム（NaI）に発光効率を上げるために微量のタリウムを混入させたものからなるシンチレーターと光電子増倍管を組み合わせたものである。γ線が入射するとγ線の光子により光電効果、コンプトン散乱、電子対生成によりシンチレーターを構成するNaI(もしくはタリウム)の電子にエネルギーを与える。そのエネルギーを受け取った電子は自身のエネルギーが無くなるまで、シンチレーター内の他の電子を励起させることを繰り返す。この時に励起した電子が元の基底状態に戻るときにシンチレーションを発する。[2]γ線の発する光子のエネルギーが高いほど電子の励起は多く発生することから、光子のエネルギーに比例してシンチレーションの強度は強くなる。NaIシンチレーターには高電圧をかけて使用する。

12

　

　

図 1.7: NaIシンチレーター　

1.7.2 マルチチャンネルアナライザー（MCA）

マルチチャンネルアナライザー（MCA）とは入力されたパルスの高さの頻度をカウントし、ヒストグラムにプロットするものである。今回の実験ではシンチレータにより発生する様々な強度のシンチレーションが光電子増倍管で増幅し、MCAにパルスとして入力され、ヒストグラムにプロットされる。MCAには gainというつまみがある。gainとは電気信号の入力値と出力値の比を表すもので、この gainを変えることで、得られるヒストグラムの横軸となる電圧の領域を変更することができる。今回実験に使用したMCAは gainが 6段階あり gain1 gain2, …, gain6というように指定する。

13

　

　

図 1.8: マルチチャネルアナライザー（MCA）　

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2 Geant4によるシミュレーション

2.1 Geant4とは

Geant4とは、素粒子、原子核、イオンなどの放射線や光子などが物質中を通過する際に生じる相互作用や過程をシミュレーションするソフトウェアパッケージである。Geant4のコードはC++という言語で書かれており、C++のであるオブジェクト指向という特徴によりGeant4を構成するコードすべてを理解しなくてもシミュレーションを行えるという利点がある。ツールキットというユーザー自身でシミュレーションを作る際に必要なC++クラスをまとめたパッケージという形式で提供されており、ユーザー自らが C++を用いてアプリケーションやプログラムを作ることを想定している。Geant4がどのように利用されているかというと、個人的な小規模シミュレーションや素

粒子実験や宇宙研究などの大規模な実験のシミュレーション、また医療分野でも利用されている。Geant4は高エネルギー物理学において世界的に用いられているシミュレーションツールキットであるが、先ほど挙げたように様々な分野、用途で用いられているため非常に高い自由度と柔軟性を持つ。ちなみに FORTRANGeant3もあるらしい。

2.2 環境

今回Geant4を動かすにあたって、基本的に研究室にある atx7という計算機を利用した。OSは Sienific Linux 7.4（64ビット）。CPUはPentium(R) Dual-Core CPU E5200でクロック周波数 2.50GHz。メモリは 3.6GBでディスクはGeant4使用時点では 495.2GBの空き容量が存在していた。今回使用したGeant4のバージョンはGeant4.10.3.2である。

2.3 シミュレーションの方法

Geant4というツールキットはユーザーのために多くの Geant4についての使用例を含んでおり、ソースコードを書き換えることで検出器の大きさや形、素材などを設定したり、照射する粒子を変更したりすることができ、自分が行いたいシミュレーションを再現することができる。今回は、

/opt/geant4/10.03.p02/share/Geant4-10.3.2/examples/extended/radioactivedecay

というディレクトリ内にある rdecay02という exampleコードを利用した。radioactive decayとは放射性崩壊のことであり、その様子の観測についてGeant4の使用例を表している。シミュレーションを行うには実験を再現できるように rdecayのソースコードを書き換えてから、cmakeという主に Cや C++をビルドするために用いられているビルドツールを用いて、プログラムをコンパイルするためのMakefileを生成する。そしてその後、makeというコマンドを実行するとMakefileによりメインプログラムである rdecay02.ccと src内のソー

15

スコードがコンパイルされることにより実行ファイルが作られる。コードを書き換える作業の中で何かしらのミスを起こしていた場合、cmakeによるビルドまたはコンパイルの際エラーメッセージが出てくるのでその間違いを探し出し修正するというデバッグを繰り返す。

2.4 rdecay02とその書き換え

2.4.1 rdecay02（オリジナル）

今回シミュレーションを行うにあたって、ベースとして選んだのが rdecay02というプログラムである。rdecay02は放射性崩壊による放射線のエネルギーと検出頻度を検出器で検出するものである。オリジナルの rdecay02におけるジオメトリは直径 1.0cm，長さ 1.0cm

の円柱形の Targetを中心としてそれを包むように直径 5.0cm，長さ 5.0cmの円筒が共におかれており、Targetはヨウ化セシウム、Detector（検出器）はゲルマニウムで構成されている。以上のようなジオメトリの詳細は rdecay02内の src（source code）ディレクトリ内に置かれている「DetectorConstruction.cc」というソースコードから得た情報である。そのジオメトリを表示したものを次に示す。

図 2.1: rdecay02(オリジナル) 図 2.2: rdecay02(オリジナル,別視点)

ここで実際の実験で用いた検出器は「ディテクター」、シミュレーションの中での検出器はソースコードの中での記述通りに「Detector」というように記す。「World」や「Target」についても同様である。

16

2.4.2 Geometory

実際にγ線を測定した環境をシミュレーションで再現するために「DetectorConstruc-

tion.cc」を書き換える。実際のディテクターの構成元素はヨウ化ナトリウム（NaI）であり、その形状は直径が 4.5cm，長さが 4.5cmの円柱形である。そのためオリジナルの円筒形Detectorの穴をふさぎ、かつTargetをDetector外へ移動させた。ジオメトリをこのように変更するためには、DetectorConstruction.cc中のDetectorとTargetのジオメトリを記述している、

fTargetLength = 1*cm;

fTargetRadius = 0.5*cm;

fDetectorLength = 5*cm;

fDetectorThickness = 2*cm;

fWorldLength = std::max(fTargetLength,fDetectorLength);

fWorldRadius = fTargetRadius + fDetectorThickness;

という部分を、



fDetectorLength = 4.5*cm;

fDetectorThickness = 2.25*cm;

//fWorldLength = std::max(fTargetLength,fDetectorLength);

fWorldLength = 11.*cm;

//fWorldRadius = fTargetRadius + fDetectorThickness;

fWorldRadius = 6.*cm;

というように変更した。Targetの大きさ、形はそのままに、Detectorの長さを決める値である fDetectorLengthや、厚さを決める fDetectorThicknessを変更し、オリジナルではTarget

の長さとDetectorの長さを比較し最大の方を選択していた fWordLengthを定数を決めさせた。また、fWorldRadiusはオリジナルでは Targetの半径と Detectorの厚さを足したもの

17

がWorld（仮想研究室）の半径の値となっていたが、これも決まった定数を与えた。”//”はコメントアウトというコマンドで、コードには影響を与えない文章となっている。次に、今決めた定数をWorld、Detector、Targetに反映するために「Solids」というオブ

ジェクトの情報を持つメソッドの一つである「G4Tubs」という Solid（以下ソリッド）を変更した。G4Tubsはチューブ型のオブジェクトを生成する際に使われるソリッドであり、

G4Tubs(const G4String& 名前,

G4double 内輪の半径,

G4double 外輪の半径,

G4double Z軸方向の長さ,

G4double Z軸から見て、円の開始角,

G4double Z軸から見て、円の終了角)

というように引数が定義されている。このG4Tubsを用いてWorld、Detector、Targetが生成される。先ほど変更した fTargetLength，fTargetRadius，fDetectorLength，fDetector-

Thickness，fWorldLength，fWorldRadiusをWorld、Detector、Targetに対応するG4Tubs

の引数に入れると、

　

　

図 2.3: 変更後World

　

　

　

図 2.4: 変更後Detector

　

18

　

　

図 2.5: 変更後 Target

　

G4Tubsの Z軸方向の長さを決める引数に値を入れた時、バグかわからないが与えた長さの 2倍の値がジオメトリに反映され、出力されつ様な現象が起きた。なので fTargetLength，fDetectorLength，fWorldLengthはそれぞれ 0.5をかけてから代入をしている。また、Targetの座標を (0,0,0,)にしないとビームが照射されない。そのため Targetの位置とDetectorの位置を合わせるために、Detectorの座標を

G4ThreeVector(0,0,2.75cm)

というように変更した。

以上の操作によりWorld、Detector、Targetのジオメトリは以下のようになる。

図 2.6: rdecay02（変更後）図 2.7: rdecay02(変更後，別視点)

19

2.4.3 Material

”new”というメモリの領域を確保し、そこのオブジェクトを作る演算子によってDetector

を構成する素材を決定している以下の一文をコメントアウトし、

fDetectorMater = new G4Material(”Germanium”, 32, 72.61*g/mole, 5.323*g/cm3);

新たに以下の一文を書き加えた。

fDetectorMater = man->FindOrBuildMaterial(”G4 SODIUM IODIDE”);

これによりDetectoｒを構成する素材がG4 SODIUM IODIDEとなる。Geant4公式サイト[3]に、原子や分子の原子番号や名称、密度、構成原子の割合などの定義をしているGeant4

Material Databaseというサイトから以下のような情報が得られる。

　

　

図 2.8: Geant4 Material DatabaseによるNaIの組成　

名称（G4 SODIUM IODIDE）の下に、「11 0.153373」「53 0.846627」というような表示は原子番号11のナトリウムと53のヨウ素の質量比を示している。これによりG4 SODIUM IODIDE

の構成元素がヨウ化ナトリウムということがわかる。同じ要領でターゲットの構成元素を

ヨウ化セシウムからfTargetMater = man->FindOrBuildMaterial(”G4 CESIUM IODIDE”);

20

炭素に変更した。fTargetMater = man->FindOrBuildMaterial(”G4 C”);

Worldについては、以下の記述により空気で満たされていることがわかる。

G4Material* Air20 = new G4Material(”Air”, 1.205*mg/cm3, ncomponents=2,

kStateGas, 293.*kelvin, 1.*atmosphere);

Air20->AddElement(N, fractionmass=0.7);

Air20->AddElement(O, fractionmass=0.3); fWorldMater = Air20;

2.5 シミュレーションに用いたマクロ

実行ファイルを実行し、コマンドを入力してGeant4を動かす。効率化を図るためにマクロを作ってコマンドを入力した。Co60を照射するマクロとTh232を照射するマクロを書き、それを用いてシミュレーションを行った。各コマンドの説明はコメント (# …)として表記する。

2.5.1 Co60.mac

Co60を照射するマクロを以下に示す。

/control/verbose 2

/run/verbose 1

#シミュレーション結果の表示レベルの設定

/run/initialize

#G4カーネルの初期化

/process/list

#プロセスの一覧表示

/grdm/noVolumes

/grdm/selectVolume Target

#rdm(Radioactive Decay Module … 放射性核種の減衰についてのモジュール)を Targetのみに適応

/analysis/h1/set 1 100 0.1 3.1 MeV

/analysis/h1/set 6 100 0. 3. MeV

#用いるヒストグラムの設定　set 1 : 検出器により検出したPulse Height Spectrum(PHS) set 6 : 放出された粒子のエネルギースペクトル

/gun/particle ion

21

#生成する粒子の設定/gun/ion 27 60

#粒子の原子番号 (Z=27)と質量数 (A=60)を指定/analysis/setFileName Co60

#実行後、生成する ROOTファイルの名前を指定/run/printProgress 1000

#実行中、1000回粒子が照射されるごとに画面に情報を表示する/run/beamOn 100000

#100000発粒子を打ち込むように指定

2.5.2 Th232.mac

Th232を照射するマクロを以下に示す。

/control/verbose 2

/run/verbose 1

/run/initialize

/process/list

/grdm/noVolumes

/grdm/selectVolume Target



/gun/particle ion

/gun/ion 90 232

/grdm/analogueMC 0

/analysis/setFileName th232

/run/printProgress 1000

/run/beamOn 100000

2.6 シミュレーション結果

シミュレーションの実行により rootファイルが生成される。この rootファイルをROOT

で解析することでヒストグラムが得られる。

22

　

　

図 2.9: Geant4実行中の図　

23

3 ROOTによる解析

ROOTとはCERNによって開発が進められているデータ解析環境であり、グラフやヒストグラムの作成、実験データの可視化など高エネルギー物理学における研究にとって不可欠なツールである。ROOTにはC++に基づいたマクロ機能が備わっており、今回実験で使用した際もマクロを用いて解析を行った。

3.1 γ線測定によって得られたデータの解析

3.1.1 ヒストグラムの出力

測定によって得られたデータをROOTを用いてヒストグラムにする。gainを 2に設定しCo60によって得られた txtファイルを以下のマクロを用いてROOTで出力した。

#include <TROOT.h>

#include <TH1.h>

#include <TFile.h>

#include <fstream>

int histCheckM()

{

gROOT->Reset();

double x,y;

TCanvas *c1 = new TCanvas("Co60", "title", 10, 20, 500, 400);

TH1D *h1 = new TH1D("co", "title", 400, 0, 4000);

h1-> GetXaxis()-> SetTitle("Pulse Height");

h1-> GetYaxis()-> SetTitle("count");

ifstream data;

data.open("KyoKyoMCA_Co_3600s_M_gain2.txt");

while(data >> x >> y ) h1-> Fill(x,y);

data.close();

//gPad->SetLogy(1);

h1-> Draw();

}

それによって出力されたヒストグラムが以下になる。

24

　

　

図 3.1: Co60によるスペクトル (gain2)

　

横軸はパルスの高さで縦軸は測定頻度である。Pulse Heightが 1100あたりと 1400当たりに 2つのはっきりしたピークが確認できる。

3.1.2 ピークに対するフィッティング

得られたヒストグラムの横軸はパルスの高さであり、エネルギーの値ではない。この横軸の単位をエネルギーへと変換するための作業を行った。まずガウス関数を用いてピークのフィッティングを行った。ROOTでフィッティングを行うには、

左のピークに対して、co->Fit(”gaus”,””,””,1039,1188);

右のピークに対して、co->Fit(”gaus”,””,””,1233,1379);

と入力した。この操作により以下のようなデータが得られる。[5]

25

　

　

図 3.2: Co60(gain2)左ピークのフィッティング　

26

　

　

図 3.3: Co60(gain2)右ピークのフィッティング　

また、フィッティングを行うことでROOTに以下のような表示が出る。

左ピーク

EXT PARAMETER 　 STEP FIRST

NO. NAME VALUE ERROR SIZE DERIVATIVE

1 Constant 3.55283e+03 2.44042e+01 -1.73826e-03 8.61127e-06

2 Mean 1.11237e+03 5.19350e-01 -7.89969e-06 4.50972e-05

3 Sigma 6.51150e+01 8.72598e-01 -1.01009e-05 5.02307e-02

右ピーク

EXT PARAMETER 　 STEP FIRST

NO. NAME VALUE ERROR SIZE DERIVATIVE

1 Constant 2.49851e+03 2.00147e+01 2.90169e-02 -8.51303e-06

2 Mean 1.28631e+03 6.32198e-01 9.56350e-04 -2.84806e-04

3 Sigma 5.69226e+01 7.49307e-01 6.59980e-06 -2.03772e-02

この表のMeanにおけるVALUEの値が、フィッティングしたピークの頂点が入ったチャネルを表す。Meanにおける VALUEの値は左ピークでおよそ 1112、右ピークでおよそ 1286

27

なので、これらの値をCo60の全エネルギーピークである 1170keV，1332keVに対応させることで横軸の単位をパルスの高さからエネルギーに変換することができる。横軸を変換した後のヒストグラムが以下になる。

　

　

図 3.4: 横軸変換後のヒストグラム　

これによって gain2の時に得られるヒストグラムの横軸の単位をエネルギーに変換することができた。この横軸を Th232を測定したときのヒストグラムに当てはめた。

28

　

　

図 3.5: Thによるヒストグラム　

縦軸の対数をとったヒストグラムを以下に示す。

29

　

　

図 3.6: Thによるヒストグラム（y軸対数）　

3.2 Geant4シミュレーションによって得られたデータの解析

3.2.1 ヒストグラムの出力

シミュレーションを実行すると、用いたマクロにより rootファイルが生成される。その内容は「3.5 シミュレーションに用いたマクロ」に記したマクロ内の



というコマンドにより決められている。/analysis/h1/set 1は、検出器が検出したエネルギースペクトルを 0.1～3.1MeVの範囲で検出し、/analysis/h1/set　 6は、放出された粒子のエネルギースペクトルを 0.0～3.0MeVの範囲で検出するというコマンドである。このようなデータを持った rootファイル（Co60による Co60.rootと Th232による Th232.root）がカレントディレクトリに存在する状態で、

30

root -l Co60.root

というコマンドど入力しROOTにこれらの rootファイルを解析させた。「root」はROOT

を起動させるコマンドであり、「-l」は ROOT起動時に 5秒程度表示される ROOTのタイトル画面を省略するコマンドである。また、ROOT起動と同時に rootファイルを入力したが、実際は、

TFile * file0 = TFile::Open(”Co60.root”)

というコマンドが入力されている。その状態で、

H11->Draw(””);

と入力することで以下のようなヒストグラムが出力する。

　

　

図 3.7: シミュレーションによるヒストグラム (Co60)

　

31

y軸の対数を取るには

gStyle->SetOptLogy(1);

と入力して出力すると、以下のようなヒストグラムが出力される。

　

　

図 3.8: シミュレーションによるヒストグラム (Co60，log(y)

　

同様に Thの rootファイルもヒストグラムに出力した。

32

　

　

図 3.9: シミュレーションによるヒストグラム (Th232)

　

33

　

　

図 3.10: シミュレーションによるヒストグラム (Th232，log(y))

　

3.3 解析結果の考察

3.3.1 γ線測定の結果について

Co60については、特徴である 1.17MeVと 1.33MeVのピークをはっきりと確認することができた。また、Th232については右からおよそ 2.9MeV，2.3MeV，1.6MeVというような結果になり、予想された 2.6MeVの全エネルギーピークから電子 1個分のエネルギーを差し引いたおよそ 2.1MeV付近、電子 2個分のエネルギーを差し引いたおよそ 1.6MeV付近にピークが合わなかった。これに関してはガウス関数を用いたフィッティングからの座標の変換による誤差が一つの理由として考えられる。また、Th232から始まるトリウム系列は多様な元素の連続的な崩壊が生じており、崩壊の過程で様々な放射線がシンチレーター内で反応したために多数のピークが重なり、複雑なスペクトルを描いたことも考えられる。

34

3.3.2 シミュレーションの結果について

Geant4によるシミュレーションからのヒストグラムには、Co60は 1.17MeVと 1.33MeV

付近にピークが確認でき正確なシミュレーションが行えているように見える。また、Th232

については 2.6MeV付近に全エネルギーピークとみられるピークが観測されている。ダブルエスケープピークやシングルエスケープピークははっきりとではないが 2.1MeV付近と、1.6MeV付近にその面影が確認できる。Th232のピークが明確でないことについては、γ線測定で述べたことと同じで、Th232によるトリウム系列の連続的な崩壊による影響であると考えられる。そのため Pb208の親元素である Tl208の崩壊によるエネルギースペクトルをGeant4を用いてシミュレートしたところ、以下のようなヒストグラムが得られた。

　

　

図 3.11: Tl208によるエネルギースペクトル　

このヒストグラムから、2.6MeV，2.1MeV，1.6MeVのピークがはっきりと確認でき、それぞれ全エネルギーピーク、シングルエスケープピーク、ダブルエスケープピークであると推測できる。また、ダブルエスケープより小さいエネルギー帯に見えるピークはTl208からPb208への段階的な崩壊過程によるエネルギーであると考えられる。[6]

35

　

　

図 3.12: Tl208から Pb208への崩壊（LEDERER,HOLLANDER,PERLMAN 『Table of

Isotope』より引用）　

36

4 まとめ

γ線測定実験とGeant4によるシミュレーションの両方で様々なエネルギーピークを確認することができたが、γ線測定実験において、放射性同位体核種によってはっきりピークを確認できないことがあることがあることが分かった。そのような場合でもGeant4によりシミュレーションの条件を変えることで、通常の実験では行えないようなより正確なシミュレーションを行えることが分かった。また、実験を行って感じたこととして、シミュレーションは放射線による被曝が全くないということも魅力的であると感じる。今後の課題として、ROOTを用いた解析の中でヒストグラムの横軸の変換を行った際、横

軸のエネルギーの値に誤差が出てしまったと考えられる。ROOTは高エネルギー物理学の分野で重要なツールなのでより使いこなせるようにしたい。

37

5 謝辞

本研究において基礎物理学研究室高嶋教授には大変お世話になりました。本研究に関する知識がほとんどなかった私に対して基礎的な知識から応用まで幅広く助言を頂きました。Geant4のソースコード書き換えに関する助言や、ROOTに関する指導などにより、技術、知識面での成長を感じております。この場を借りて感謝の意を述べさせていただきます。ありがとうございました。同じ研究室の家田さんには本論文執筆にあたり TEXに関する資料を見せていただいたり

私の質問に答えてくださったりと、TEXを用いた論文執筆において非常に役立つ知識をご教授いただきました。ありがとうございました。また、同じ研究室の大塚君には研究に行き詰まった際、気分を変えるためや運動不足解消のため、しばしば運動に付き合ってもらいました。効率よく研究を進めることができたと思います。ありがとうございました。

参考文献

[1] GLENN F. KNOLL 『放射線計測ハンドブック』 1982年 11月 30日初版 1刷発行日刊工業新聞社

[2] 公益法人日本アイソトープ協会理工学部会『NaI(TI)シンチレーションシペクトロメーターによるγ線スペクトロメトリーガイダンス』 2015年 3月

URL(https://www.jrias.or.jp/report/pdf/NaI Guidance 21050331.pdf)

2018年 2月 2日現在

[3] Geant4 Material Database

URL(http://geant4.web.cern.ch/geant4/workAreaUserDocKA/Backup/

Docbook UsersGuides beta/ForApplicationDeveloper/html/apas08.html)

2018年 2月 2日現在

[4] 福井　崇時　『粒子物理計測学入門』 1992年 4月 5日初版 1刷発行共立出版株式会社

[5] Junichi Tanaka 『ROOT Tutorial for ATLAS Japan Group』 version:20030720

URL(http://hepl.shinshu-u.ac.jp/ hasegawa/hepex/root atlasjapan.pdf)

2018年 2月 9日現在

[6] LEDERER,HOLLANDER,PERLMAN 『Table of Isotope』

38

6 付録

6.1 DetectorConstruction.cc

Geant4によるシミュレーションを行う際に、構造物のジオメトリの詳細を決定するためのソースコードであるDetectorConstruction.ccを掲載する。

// ********************************************************************

// * License and Disclaimer *

// * *

// * The Geant4 software is copyright of the Copyright Holders of *

// * the Geant4 Collaboration. It is provided under the terms and *

// * conditions of the Geant4 Software License, included in the file *

// * LICENSE and available at http://cern.ch/geant4/license . These *

// * include a list of copyright holders. *

// * *

// * Neither the authors of this software system, nor their employing *

// * institutes,nor the agencies providing financial support for this *

// * work make any representation or warranty, express or implied, *

// * regarding this software system or assume any liability for its *

// * use. Please see the license in the file LICENSE and URL above *

// * for the full disclaimer and the limitation of liability. *

// * *

// * This code implementation is the result of the scientific and *

// * technical work of the GEANT4 collaboration. *

// * By using, copying, modifying or distributing the software (or *

// * any work based on the software) you agree to acknowledge its *

// * use in resulting scientific publications, and indicate your *

// * acceptance of all terms of the Geant4 Software license. *

// ********************************************************************

//

/// \file DetectorConstruction.cc

/// \brief Implementation of the DetectorConstruction class

//

// $Id: DetectorConstruction.cc 70755 2013-06-05 12:17:48Z ihrivnac $

//

//....oooOO0OOooo........oooOO0OOooo........oooOO0OOooo........oooOO0OOooo......


#include "DetectorConstruction.hh"

#include "DetectorMessenger.hh"

#include "G4Material.hh"

#include "G4NistManager.hh"

#include "G4Tubs.hh"

#include "G4LogicalVolume.hh"

#include "G4PVPlacement.hh"

39

#include "G4GeometryManager.hh"

#include "G4PhysicalVolumeStore.hh"

#include "G4LogicalVolumeStore.hh"

#include "G4SolidStore.hh"

#include "G4RunManager.hh"

#include "G4SystemOfUnits.hh"

#include "G4PhysicalConstants.hh"

#include "G4UnitsTable.hh"


DetectorConstruction::DetectorConstruction()

:G4VUserDetectorConstruction(),

fTargetMater(0), fLogicTarget(0),

fDetectorMater(0), fLogicDetector(0),

fWorldMater(0), fPhysiWorld(0),

fDetectorMessenger(0)

{



fDetectorLength = 4.5*cm;

fDetectorThickness = 2.25*cm;


fWorldLength = 11.*cm;


fWorldRadius = 6.*cm;

DefineMaterials();

fDetectorMessenger = new DetectorMessenger(this);

}


DetectorConstruction::~DetectorConstruction()

{ delete fDetectorMessenger;}


G4VPhysicalVolume* DetectorConstruction::Construct()

{

return ConstructVolumes();

}


void DetectorConstruction::DefineMaterials()

40

{

// build materials

//

//fDetectorMater =

//new G4Material("Germanium", 32, 72.61*g/mole, 5.323*g/cm3);

G4Element* N = new G4Element("Nitrogen", "N", 7, 14.01*g/mole);

G4Element* O = new G4Element("Oxygen", "O", 8, 16.00*g/mole);

//

G4int ncomponents; G4double fractionmass;

G4Material* Air20 = new G4Material("Air", 1.205*mg/cm3, ncomponents=2,

kStateGas, 293.*kelvin, 1.*atmosphere);

Air20->AddElement(N, fractionmass=0.7);

Air20->AddElement(O, fractionmass=0.3);

//

fWorldMater = Air20;

// or use G4 materials data base

//

G4NistManager* man = G4NistManager::Instance();

//fTargetMater = man->FindOrBuildMaterial("G4_CESIUM_IODIDE");

fTargetMater = man->FindOrBuildMaterial("G4_C");

fDetectorMater = man->FindOrBuildMaterial("G4_SODIUM_IODIDE");

///G4cout << *(G4Material::GetMaterialTable()) << G4endl;

}


G4VPhysicalVolume* DetectorConstruction::ConstructVolumes()

{

// Cleanup old geometry

G4GeometryManager::GetInstance()->OpenGeometry();

G4PhysicalVolumeStore::GetInstance()->Clean();

G4LogicalVolumeStore::GetInstance()->Clean();

G4SolidStore::GetInstance()->Clean();

// World

//

// (re) compute World dimensions if necessary



G4Tubs*

sWorld = new G4Tubs("World", //name

0.,0.5*fWorldRadius, 0.5*fWorldLength, 0.,twopi); //dimensions

G4LogicalVolume*

41

lWorld = new G4LogicalVolume(sWorld, //shape

fWorldMater, //material

"World"); //name

fPhysiWorld = new G4PVPlacement(0, //no rotation

G4ThreeVector(), //at (0,0,0)

lWorld, //logical volume

"World", //name

0, //mother volume

false, //no boolean operation

0); //copy number

// Target

//

G4Tubs*

sTarget = new G4Tubs("Target", //name

0., fTargetRadius, 0.5*fTargetLength, 0.,twopi); //dimensions

fLogicTarget = new G4LogicalVolume(sTarget, //shape

fTargetMater, //material

"Target"); //name

new G4PVPlacement(0, //no rotation

G4ThreeVector(0,0,0), //at (0,0,0)

fLogicTarget, //logical volume

"Target", //name

lWorld, //mother volume


0); //copy number

// Detector

//

G4Tubs*

sDetector = new G4Tubs("Detector",

0., fDetectorThickness, 0.5*fDetectorLength, 0.,twopi);

fLogicDetector = new G4LogicalVolume(sDetector, //shape

fDetectorMater, //material

"Detector"); //name

new G4PVPlacement(0, //no rotation

G4ThreeVector(0,0,2.75*cm), //at (0,0,0)

fLogicDetector, //logical volume

"Detector", //name

lWorld, //mother volume


0); //copy number

42

PrintParameters();

//always return the root volume

//

return fPhysiWorld;

}


void DetectorConstruction::PrintParameters()

{

G4cout << "\n Target : Length = " << G4BestUnit(fTargetLength,"Length")

<< " Radius = " << G4BestUnit(fTargetRadius,"Length")

<< " Material = " << fTargetMater->GetName();

G4cout << "\n Detector : Length = " << G4BestUnit(fDetectorLength,"Length")

<< " Tickness = " << G4BestUnit(fDetectorThickness,"Length")

<< " Material = " << fDetectorMater->GetName() << G4endl;

G4cout << "\n" << fTargetMater << "\n" << fDetectorMater << G4endl;

}


void DetectorConstruction::SetTargetMaterial(G4String materialChoice)

{

// search the material by its name

G4Material* pttoMaterial =

G4NistManager::Instance()->FindOrBuildMaterial(materialChoice);

if (pttoMaterial) {

fTargetMater = pttoMaterial;

if(fLogicTarget) { fLogicTarget->SetMaterial(fTargetMater); }

G4RunManager::GetRunManager()->PhysicsHasBeenModified();

} else {

G4cout << "\n--> warning from DetectorConstruction::SetTargetMaterial : "

<< materialChoice << " not found" << G4endl;

}

}


void DetectorConstruction::SetDetectorMaterial(G4String materialChoice)

{

// search the material by its name

G4Material* pttoMaterial =

G4NistManager::Instance()->FindOrBuildMaterial(materialChoice);

if (pttoMaterial) {

43

fDetectorMater = pttoMaterial;

if(fLogicDetector) { fLogicDetector->SetMaterial(fDetectorMater); }

G4RunManager::GetRunManager()->PhysicsHasBeenModified();

} else {

G4cout << "\n--> warning from DetectorConstruction::SetDetectorMaterial : "

<< materialChoice << " not found" << G4endl;

}

}


void DetectorConstruction::SetTargetRadius(G4double value)

{

fTargetRadius = value;

G4RunManager::GetRunManager()->ReinitializeGeometry();

}


void DetectorConstruction::SetTargetLength(G4double value)

{

fTargetLength = value;


}


void DetectorConstruction::SetDetectorThickness(G4double value)

{

fDetectorThickness = value;


}


void DetectorConstruction::SetDetectorLength(G4double value)

{

fDetectorLength = value;


}


G4double DetectorConstruction::GetTargetLength()

{

return fTargetLength;

}


44

G4double DetectorConstruction::GetTargetRadius()

{

return fTargetRadius;

}


G4Material* DetectorConstruction::GetTargetMaterial()

{

return fTargetMater;

}


G4LogicalVolume* DetectorConstruction::GetLogicTarget()

{

return fLogicTarget;

}


G4double DetectorConstruction::GetDetectorLength()

{

return fDetectorLength;

}


G4double DetectorConstruction::GetDetectorThickness()

{

return fDetectorThickness;

}


G4Material* DetectorConstruction::GetDetectorMaterial()

{

return fDetectorMater;

}


G4LogicalVolume* DetectorConstruction::GetLogicDetector()

{

return fLogicDetector;

}


45

6.2 Geant4 Visualization Commands

Geant4における可視化を実現するために使用したマクロを以下に掲載する。可視化を行うには vis.macにより OpenGLという描画ソフトを起動したり、その他基本的なパラメータを決定した後に、myvi.macにより構造物を各々判別するための着色や視点の変更などを行っている。

vis.mac

/control/verbose 2

/run/verbose 2

/run/initialize

/vis/open OGL 600x600-0+0

/vis/viewer/set/autoRefresh false

/vis/verbose errors

/vis/drawVolume

/vis/viewer/zoom 1.4

/vis/viewer/set/style surface

/vis/geometry/set/visibility World 0 false

/vis/scene/add/trajectories smooth

/vis/modeling/trajectories/create/drawByCharge

/vis/modeling/trajectories/drawByCharge-0/default/setDrawStepPts false

/vis/modeling/trajectories/drawByCharge-0/default/setStepPtsSize 1

/vis/modeling/trajectories/create/drawByParticleID

/vis/modeling/trajectories/drawByParticleID-0/set e- red

/vis/modeling/trajectories/drawByParticleID-0/set gamma green

/vis/modeling/trajectories/drawByParticleID-0/set neutron yellow

/vis/modeling/trajectories/drawByParticleID-0/set alpha blue

/vis/modeling/trajectories/drawByParticleID-0/set GenericIon blue

/vis/scene/endOfEventAction accumulate

/vis/viewer/set/autoRefresh true

/vis/verbose warnings

myvi.mac

/vis/geometry/set/visibility World 0 true

/vis/geometry/set/colour World 0 0 0 1 .3

/vis/geometry/set/colour Detector 0 0 1 1 .3

/vis/geometry/set/colour Target 0 1 0 0 .3

/vis/viewer/set/style surface

/vis/viewer/set/hiddenMarker true

/vis/viewer/set/viewpointThetaPhi 120 150

/vis/scene/add/scale

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平成29年度 卒業論文 - Kyoto University of Educationnatsci.kyokyo-u.ac.jp/~takasima/sotsuron/thesis2017/...γ線がシンチレーション（検出器）内に入ってきたときに引き起こされる相互作用として

平成29年度卒業論文 - Kyoto University of Educationnatsci.kyokyo-u.ac.jp/~takasima/sotsuron/thesis2017/...γ線がシンチレーション（検出器）内に入ってきたときに引き起こされる相互作用として