EXPACSとは？

開発の背景

図１　大気中の放射線挙動

宇宙空間には、太陽起源や銀河起源の様々な宇宙線が存在しており，月面や宇宙船内は，放射線環境の観点から見ても生命にとって過酷な空間です。私たちは，地球の磁場や大気に守られているため，それらの宇宙線に直接被ばくすることはほとんどありません。しかし，一部の高エネルギー宇宙線は，大気中の原子核と核反応を引き起こして極めて透過力の強い中性子やμ粒子を生成するため，地上にはそれらの２次宇宙線が絶えず降り注いでいます（図１参照）。それらの２次宇宙線による被ばく線量は，私たちが自然放射線により被ばくする全線量の約２０％と推定されていますが，その正確な値は，地域（標高・地磁気強度）や時間（太陽活動周期）に複雑に依存するため，これまで精度良く評価することはできませんでした。また，宇宙線の強度は高度の上昇に伴って高くなるため，航空機搭乗時には、地上よりも被ばく線量が高くなります。そのため、航空機乗務員に対する宇宙線による被ばく線量の管理に関するガイドラインが，昨年，文部科学省により策定されました（詳細）。さらに，宇宙線は，生物だけでなく半導体にも影響を与えることが知られており，地表面や航空機高度における宇宙線スペクトル評価は，近年，様々な分野で重要な研究課題として認識されています。 　このような背景から，私たちは，これまで原子力分野で培ってきた放射線輸送計算技術を応用し，その予測モデルの確立を目指して研究を開始しました。

大気中の宇宙線挙動シミュレーション計算

私たちは，まず，最新の核反応モデルを組み込んだ放射線輸送計算コード PHITS（文献4）を開発・改良し，大気モデルなどと組み合わせることにより地球規模の巨大な体系における放射線挙動を正確にシミュレーションできる計算システムを確立しました。そして，そのシステムに，ドイツDLRで開発された地球近傍での宇宙線フラックス計算モデル（文献5）を組み合わせて計算した大気に入射する宇宙線スペクトル情報を入力し，大気中の放射線輸送計算を行いました。その結果，本システムにより計算した宇宙線スペクトルは，様々な条件に対する測定値を正確に再現できることが分かりました。（図２参照）

図２　様々な場所で測定した宇宙線スペクトルと本研究による詳細シミュレーション結果を比較した例（EXPACS 2.0で計算）。上が中性子，下が荷電粒子（陽子及びμ粒子）に対する比較を表しており，上下図でフラックスの単位が違うことに注意。

宇宙線スペクトル予測モデルPARMAの構築

前述のように，大気中の宇宙線スペクトルは，地域（標高・地磁気強度）や時間（太陽活動周期）に複雑に依存します。しかし，上記シミュレーションは，大型計算機を用いても数週間かかるような大規模なもので，全ての地域や時間に対して実施することはできません。そこで，シミュレーションにより得られた宇宙線スペクトルの地域や時間に対する依存性を解明し，その変化を再現可能な数学予測モデルPARMAを構築しました。これにより，地球上の任意地点における宇宙線スペクトル評価が，従来モデルよりも迅速かつ正確に行えるようになりました。その結果の例を図４，５に示します。図４は，東京における宇宙線スペクトルを，図５は東京上空における被ばく線量率の高度変化を示しています。図より，予測モデルPARMAは，詳細シミュレーション計算により得られた結果をよく再現できることが分かります。

図４　詳細シミュレーション及び数学予測モデルによる２００６年６月の東京における宇宙線スペクトル計算結果（EXPACS 2.0で計算） 図５　２００６年６月における東京上空の宇宙線被ばく線量率高度依存性（EXPACS 2.0で計算）。なお，被ばく線量を計算する際，宇宙線は人体に等方的に入射すると仮定した。

まとめ

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