Essa seção será destinada a discussão das principais características do PHITS, tais como o transporte de partículas e sua faixa de energia, processos de ionização, modelos básicos para simulação de reações nucleares, campo magnético, parametrização de colisões elásticas e seções transversais. Análise é feita mostrando algumas comparações com dados experimentais disponíveis na literatura.
4.10.1. O Transporte de Partículas e o Intervalo de Energia
O primeiro passo para simular o transporte de partículas é a especificação do intervalo de energia de interesse, e descrevê-lo no código PHITS. O valor máximo de energia que pode ser utilizado no código é para nêutrons que possuam energia até 200 GeV. Segundo Niita et. al. (2001) é utilizado no código o mesmo método do MCNP4C para o caso de nêutrons com energia abaixo de 20 MeV até 1 meV, isso com base na avaliação dados nucleares, e acima disso na faixa de 20 MeV até 200 GeV utiliza-se o modelo de simulação JAM. Para simulações de prótons e outros hádrons, é também usado o modelo de simulação JAM que trabalha no intervalo de energia acima de 1 MeV até 200 GeV, mas são considerados somente os processos de ionização para partículas carregadas abaixo 1 MeV até pararem.
Através do PHITS é possível a simulação do transporte de núcleos pelo material. Pelo modelo de simulação JQMD, para energias inferiores a 10 MeV/u, é levado em conta apenas o processo de ionização por conta do transporte do núcleo, porém, acima de 10 MeV/u já são descritos também as colisões núcleo-núcleo, isso até 100 GeV/u.
4.10.2. O Campo Magnético
Para estimar a perda de energia do feixe na simulação do transporte de partículas carregadas e íons pesados, o conhecimento do campo magnético é indispensável, assim como a determinação da deposição de calor no ímã, e a propagação do feixe. Por meio do código PHITS é possível fornecer campos magnéticos criados por dipolo e quadrupolo configurados em qualquer direção ou qualquer região da geometria de configuração. O PHITS em comparação com outros códigos de transporte de partículas não apenas simula a trajetória das partículas carregadas sob ação de um campo, mas também as colisões sofridas e descreve o processo de ionização do meio simultaneamente. Esta é uma das grandes vantagens do PHITS para o estudo de modelagem de estrutura e também aceleradores de prótons, íons pesados de alta intensidade, instalações onde é preciso a estimativa dos danos causados pela radiação aos ímãs, aos materiais circundantes e a blindagem.
4.10.3. O Processo de Criação de Carga
O código SPAR, descrito por Armstrong e Chandler (1973), é utilizado para modelagem do processo de criação de carga ou de ionização das partículas e núcleos. O poder de parada médio, ou a razão 𝑑𝐸/𝑑𝑥, é dado pela densidade do material simulado e a velocidade das partículas. Segundo MATSUFUJI et al. (2003), os resultados obtidos através do PHITS apresentam grande reprodutibilidade e representam muito bem os dados com respeito, não apenas ao pico de Bragg, mas também a contribuição das partículas secundárias produzidas por reações nucleares.
4.10.4. Seções Transversais e as Colisões Elásticas
Para as regiões de baixa e altas energias, é bastante importante a utilização de dados confiáveis nas descrições de colisões inelásticas e as seções transversais elásticas quando se trata do transporte de partículas e íons pesados. Embora os modelos de simulação de reação nuclear, os códigos JAM e JQMD mencionados anteriormente, podem prever as seções transversais inelásticas totais, os resultados nem sempre são fiéis aos dados experimentais. Apesar deste desvio dos dados experimentais ser pequeno em uma reação, isso afeta diretamente e de maneira expressiva o comprimento do “track” relacionado ao transporte da partícula no material. Então, é melhor que haja uma normalização das seções transversais diferenciais obtidas pelos modelos de simulação através das seções transversais não elásticas pelos Dados Nucleares Avaliados (MCLANE et al., 1996; SHIBATA et al., 2002; CHADWICK et al., 1999) ou a sistemática (NIITA et al., 2001).
Uma verificação nos dados nucleares avaliados para reações induzidas é necessária também para nêutrons abaixo de 20 MeV, e para nêutrons acima desse limiar uma verificação nos dados de reações sistemática, o que também é aconselhável para reações induzidas por prótons de toda energia alcance. Quando diz respeito às seções transversais elásticas, esses modelos de simulação podem não calcular as seções transversais totais, assim como duplos cruzamentos.
Desta forma, como descrito por Niita et al. (2001), são utilizados os dados nucleares avaliados para reações induzidas para o caso de nêutrons abaixo de 20 MeV, e os dados para reações sistemática para valores de energia acima de 20 MeV, para reações induzidas por prótons de toda a faixa de energética e, também, para reações núcleo-
núcleo. Um dos aspectos ainda não inclusos no código PHITS é que ele não descreve colisões elásticas núcleo-núcleo, porém os criadores estão cientes disso e afirmam que isso será incluído ao código em no futuro próximo (NIITA et al., 2006).
4.10.5 Código JAM
Segundo Nara et al. (2000), o código JAM (modelo de transporte microscópico Jet) é um modelo de cascata de partículas compostas, formada por um estado ligado de quarks, ou seja, como foi definida uma cascata hadrônica. Ele trata explicitamente todos os estados estabelecidos, inclusive ressonâncias com informações explícitas sobre o spin, bem como as suas anti-partículas.
Todas as seções transversais de hádron-hádron foram parametrizadas baseadas no modelo de ressonância e também o modelo de corda, que é ajustado pelos dados experimentais disponíveis. As colisões inelásticas hádron-hádron que estão abaixo da energia do sistema de centro de massa (CM), que são energia menores que 4 GeV, são descritas pelas formações de ressonância e suas decadências. Para o caso de energias com valores mais altos, são assumidas a formação de cordas e sua fragmentação em os hádrons.
Essas seções transversais de formação de ressonância foram parametrizadas por Niita et al., (2006) em termos do formulário Breit-Wigner estendido e também usado os dados estabelecidos pelo Particle-Data-Group (2002). Uma característica descrita nos dados é que para um intervalo de energia acima de 4-5 GeV, a imagem de ressonância (isolada) se desfaz. Isso acontece devido a largura da ressonância se tornar mais ampla e a discreta, e então os níveis se aproximam. Na faixa energética entre 4-5 GeV e 10- 100 GeV as interações hadrônicas são caracterizadas pela pequena transferência de impulso transversal. Esse fenômeno é conhecido como "processo suave" e os modelos fenomenológicos de cordas são conhecidos por descrever os dados para essas interações suáveis.
4.10.6 Tally e utilitários
Ferramentas como a interface do usuário ou a contagem dos eventos simulados, são usados para obter informações úteis para a análise dos resultados, e são de extrema
comporta uma variedade de utilitários, onde cada um desempenha um objetivo específico, como por exemplo, marcar o comprimento da pista, o fluxo e a corrente de superfície de cruzamento, partículas secundárias produzidas e núcleo residual liberados pelas colisões iniciais, calor médio, distribuição de deposição de energia, densidade e DPA (deslocamentos por átomo). Todas essas grandezas podem ser calculadas em uma célula definida na geometria, ou também por intervalos específicos de pontuação r-z e xyz sobrepostas. Outros adicionais são as malhas de energia, tempo e a ferramenta Angel (que possui aplicação de utilidade gráfica) que são definidos para cada tally em questão.
Ao final do tempo de processamento do PHITS, ele gera os arquivos de saída que geralmente levam a extensão “.out” e, ao mesmo tempo, o PHITS gera um arquivo EPS (Enhanced PostScript) usando a ferramenta do Angel, que é por meio dele que são mostradas no monitor como um gráfico. Esta é uma função que pode ser usada de diferentes maneiras. Ela pode ser usada mesmo no tempo de execução do cálculo, ou após a obtenção do resultado. Então, pode-se verificar imediatamente como o cálculo prossegue e como o as estatísticas de contagem aumentam em seu monitor. Essa característica é uma boa utilidade no cálculo 3D Monte Carlo, uma vez que as variáveis utilizadas muitas vezes são ajustadas, mudando os parâmetros de forma iterativa para obter boas estatísticas.