O Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System (PHITS) foi desenvolvido em uma colaboração de vários institutos no Japão e na Europa. O código PHITS tem a capacidade de simular o transporte e a colisão de todas as partículas em uma ampla faixa de energia (10-4 eV até 100 GeV). Esse trabalho é feito considerando a partícula se deslocando no espaço de fase 3D sob influência de um campo externo (campo magnético, gravidade e campo elétrico), ou livre de qualquer influência externa, transferindo energia apenas por colisões.
Em 2001, Niita et al. desenvolveram o código NMTC / JAM para resolver os
problemas encontrados no J-PARC, ou Japan Proton Accelerator Research Complex, que está associado ao Joint Project Team de JAERI e KEK (2000). Esse código foi atualizado para o PHITS, que passou a incluir o transporte de íons pesados. O PHITS foi lançado na versão 2.23 em 2010, e foi sendo melhorado a cada ano, até chegar na sua versão atual 3.02 no ano de 2018 (Manual of PHITS, 2014).
O código de simulação PHITS já foi utilizado em uma infinidade de campos de aplicação, como em semicondutores ou até mesmo em blindagem de naves espaciais, pode-se ilustrar algumas dessas aplicações através das figuras presentes na Figura 5.
Os seus principais campos de aplicação são o espalhamento de nêutrons, a terapia de íons pesados e a radiação espacial. Então, é justificável o interesse na utilização do código PHITS, que mostra resultados que ilustram uma grande capacidade de realizar a análise do transporte de radiação de quase todas as partículas e íons dentro de uma ampla faixa de energia.
Os processos físicos do código de simulação PHITS são subdivididos em duas categorias, os processos de transporte e os processos de colisão. No processo de transporte, o código PHITS pode simular um movimento em campos externos, como o magnético e a gravidade. Sem os campos externos, as partículas neutras se movem ao longo de uma trajetória direta com energia constante até o próximo ponto de colisão. Entretanto, as partículas carregadas e íons pesados interagem muitas vezes com elétrons no material perdendo sua energia e mudando de direção. PHITS trata os processos de ionização não como colisão, mas como um processo de transporte em um campo externo.
Figura 5. (a) Design de aceleradores de partículas. (b) Espaço e Geociência. (c) Radioterapia e radioproteção.
(a) (b)
(c) Fonte: Niita et al., 2013.
A taxa de variação média da energia em relação ao deslocamento da partícula, 𝑑𝐸/𝑑𝑥, é descrita pela densidade de carga do material, pelo momento da partícula, levando em consideração as flutuações da perda de energia, e pelo desvio angular. A segunda categoria dos processos físicos é a colisão com os núcleos do material, além disso, a diminuição de energia da partícula é considerada como um processo nessa categoria.
O tempo de vida da partícula (ou seção transversal de reação total) é uma grandeza de grande importância na determinação do caminho livre médio da partícula de transporte, pois, é de acordo com o caminho livre médio que o PHITS define o próximo ponto de colisão utilizando o método MC. As partículas secundárias geradas após as colisões usam a informação das colisões iniciais, o que torna esses dados necessários. São empregadas as seções transversais das bibliotecas de dados nucleares para avaliar as reações induzidas
por nêutrons em região de baixa energia no PHITS. Já para os nêutrons de alta energia e outras partículas, são incorporados os modelos JAM e JQMD, que simulam, respectivamente, as reações induzidas por partículas de até 200 GeV e as colisões núcleo- núcleo (NIITA et al., 1995).
Foi implementado no código PHITS, nos últimos anos, um modo gerador de eventos destinado ao transporte de partículas na região de baixa energia. Dessa forma, o PHITS foi quase completamente reescrito para a introdução do gerador de eventos para reações induzidas por nêutrons em uma região de energia inferior a 20 MeV. Além disso, outros novos recursos e funções foram incorporados para mensurar os efeitos biológicos relacionados, e todos foram introduzidos no manual do código. Como é o exemplo da configuração geométrica, destinada a exibir a Geometria Geral (GG) ou a Geometria Combinatória (CG), que ambas têm função de situar o programador da geometria simulada para que possa ser configurada devidamente, e também é disponível as descrições detalhadas sobre como configurar essa geometria.
É possível deduzir das simulações do PHITS as funções de estimador, chamadas de "tally", que foram implementadas por Nitta (1995), como a deposição de calor, o comprimento da pista, as energias depositadas, a Transferência Linear de Energia (LET), a dose, a dose efetiva e também os rendimentos de produção.
Visto isso, é fácil dizer que o PHITS pode lidar com o transporte de quase todas as partículas, incluindo nêutrons, prótons, íons pesados (núcleos), múons, elétrons e fótons com ampla gama de energia usando vários modelos de reação nuclear e bibliotecas de dados nucleares. Na Figura 6 são mostrados todos os casos possíveis de simulação utilizando o código PHITS:
No mapa de modelos físicos usados em PHITS, mostrado na Figura 6, é possível exemplificar como o código lida com cada processo físico. Para nêutrons com baixa energia é utilizado a biblioteca de dados nucleares (JENDL-4.0) em conjunto com o modo gerador de eventos, fato que não acontece para nêutrons muito energéticos e íons pesados, que em suas simulações são utilizados o código JAM e JQMD respectivamente combinados com o modo gerador de eventos (ou evaporação) GEM.
Figura 6. Cálculos de transporte de todas as partículas utilizando o código de simulação PHITS, incluindo nêutrons, prótons, píon, íons pesados (núcleo), múons, elétrons e fótons com ampla gama de energia usando vários modelos de reação nuclear e bibliotecas de dados nucleares.
Fonte: Adaptado de Niita, et. al. 2014.
Em 2011, Luszik Bhadra investigou pela primeira vez os sinais induzidos por nêutrons com grãos de material OSL, Al2O3:C, de tamanhos que variavam de 10 μm a 100 μm via cálculos de estrutura de trilhas utilizando o código PHITS (LUSZIK- BHADRA, 2011). Nessa simulação, o Al2O3:C foi considerado como esferas dentro de uma matriz cúbica de 6LiF e polietileno de alta densidade (HDPE), com todos os materiais colocados dentro de uma pastilha dosimétrica com diâmetro de 6,4 mm e espessura de 0,5 mm. O detector foi colocado na frente de uma superfície de um phantom cheio de água com dimensões de 30 cm × 30 cm × 15 cm, feito de paredes PMMA (parede frontal de 2,5 mm de espessura e outras 10 mm de espessura). Isso foi feito para obter todas as informações de dispersão de partículas e produção de partículas secundárias. Os resultados mostraram que em todas as simulações as partículas carregadas, que são geradas por irradiação de nêutrons em grãos de materiais conversores 6LiF, podem depositar sua energia de forma mais eficaz nos grãos Al2O3:C para pequenos tamanhos, se os índices de massa permanecerem inalterados em 1: 1. A conclusão também foi que ao aumentar o diâmetro da esfera Al2O3:C de 10 μm a 100 μm, a resposta de nêutrons foi diminuindo com o fator três.
Em contraponto aos resultados, as energias depositadas por fluência de partículas incidentes para a irradiação de fótons não mudam com o aumento do diâmetro da esfera e permanecem em um valor constante. Em todos os cálculos realizados pelo PHITS, a incerteza estatística de energia depositada é cerca de 5%.