Implementing a photon physics model in Serpent 2

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2016-06-14
Department
Major/Subject
Energiatieteet
Mcode
F3002
Degree programme
Teknillisen fysiikan ja matematiikan koulutusohjelma
Language
en
Pages
125+7
Series
Abstract
Photon transport problems are encountered in many areas of science and engineering, such as gamma-heating and radiation shielding calculations in reactor physics, particle physics simulations, and radiation therapy dose calculations. The most accurate approach for solving these problems is the Monte Carlo particle transport method. In order to be applicable, the interactions that photons undergo with matter must be modelled accurately. In this work, a photon physics model is developed for Serpent 2 Monte Carlo transport code which is primarily used for reactor physics calculations. The four dominant photon interactions with matter are discussed and implemented: the photoelectric effect, Rayleigh scattering, Compton scattering, and pair production. Also, the important atomic relaxation, electron-positron annihilation, and thick-target bremsstrahlung processes are included. Detailed interaction models are used which are not limited only to reactor physics problems. New and modified sampling methods are presented for the photoelectric effect, Doppler broadening of Compton-scattered photons, Compton electrons, and pair production. The implemented photon physics model is compared with MCNP6 code for a variety of materials and photon energies. A good agreement is obtained in general. At photon energies below 1 MeV or so, differences caused by the Doppler broadening of Compton-scattered photons are encountered. However, these discrepancies should be negligible in reactor physics calculations. At higher energies, differences in the thick-target bremsstrahlung methods cause the photon spectrum given by Serpent to be lower. The angular distribution of pair production seems to be broader in Serpent than in MCNP6. In a simple test geometry Serpent performs faster than MCNP6, up to a factor of 3.

Fotonikuljetusongelmia esiintyy monilla tieteen aloilla, kuten esimerkiksi reaktorifysiikkaan liittyvissä gammakuumennus- ja säteilysuojauslaskuissa, hiukkasfysiikan simulaatioissa ja sädehoitojen annoslaskennassa. Tarkin tapa ratkaista näitä ongelmia on Monte Carlo -kuljetusmenetelmä. Jotta tämä menetelmä olisi hyödynnettävissä, on fotonien vuorovaikutukset väliaineen kanssa mallinnettava tarkasti. Tämän työn aiheena on kehittää fotonifysiikkamalli Serpent 2 Monte Carlo -koodiin, jota käytetään lähinnä reaktorifysiikkaan liittyvässä laskennassa. Neljä tärkeintä fotonien vuorovaikutusta esitellään ja toteutetaan: valosähköinen ilmiö, Rayleigh-sironta, Compton-sironta ja parinmuodostus. Lisäksi atomien relaksaatio, elektroni-positroni-annihilaatio ja paksun kohtion jarrutussäteily otetaan huomioon. Nämä ilmiöt toteutetaan tarkoilla vuorovaikutusmalleilla, joiden käyttö ei rajoitu pelkästään reaktorifysiikkalaskuihin. Työssä esitellään uusia ja muokattuja laskentamenetelmiä valosähköiselle ilmiölle, Compton-sironneiden fotonien Doppler-leventämiselle, Compton-elektroneille ja parinmuodostukselle. Kehitettyä fotonifysiikkamallia verrataan MCNP6-koodiin testaamalla useita materiaaleja ja fotonien energioita. Tulokset vastaavat yleisesti ottaen hyvin toisiaan. Alle 1 MeV:n energioilla havaitaan Doppler-leventämisen mallintamisen aiheuttamia eroja. Näiden erojen ei kuitenkaan pitäisi olla merkittäviä reaktorifysiikkalaskuissa. Suuremmilla energioilla Serpent tuottaa matalamman spektrin kuin MCNP6, mikä johtuu eroista jarrutussäteilymenetelmässä. Parinmuodostuksen kulmajakauma näyttäisi olevan Serpentissä leveämpi kuin MCNP6:ssa. Yksinkertaisessa testausgeometriassa Serpentin laskenta-aika on lyhyempi kuin MCNP6:n, ero on suurimmillaan kolminkertainen.
Description
Supervisor
Tuomisto, Filip
Thesis advisor
Leppänen, Jaakko
Keywords
Monte Carlo photon transport, Serpent, photoelectric effect, Rayleigh scattering, Compton scattering, pair production
Other note
Citation