Poker Task Management MCP

# 📋 PHYSICS_REFERENCE.md - 放射線遮蔽物理リファレンス **⚛️ 対象**: 放射線遮蔽計算の物理的背景を理解したい研究者 **📚 マニュアル階層**: エッセンシャル層 **🔧 対応システム**: Poker MCP Server v1.2.5 MCP Edition **🔧 バージョン**: 1.2.5 MCP Edition **📅 最終更新**: 2025年1月24日 --- ## 📖 本書の位置づけ この文書は**エッセンシャル層**の物理リファレンスです。 ### 🎯 対象読者 - **放射線遮蔽研究者**: 計算の物理的背景を深く理解したい - **原子力・医療物理学研究者**: 遮蔽理論の実装を確認したい - **設計エンジニア**: 計算パラメータの物理的意味を理解したい - **品質保証担当者**: 結果の妥当性を物理的に検証したい ### 📋 読み方ガイド - **基本操作習得**: [ESSENTIAL_GUIDE.md](ESSENTIAL_GUIDE.md)と併用 - **日常参照**: [QUICK_REFERENCE.md](QUICK_REFERENCE.md)で操作確認 - **実践応用**: [RESEARCH_WORKFLOWS.md](RESEARCH_WORKFLOWS.md)で具体例 --- ## 🛠️ 計算環境設定の物理的考慮事項 ### POKER_INSTALL_PATH環境変数の物理的重要性 **核種データベースの役割**: 環境変数POKER_INSTALL_PATHは、物理計算に必要な核種データベース（ICRP-07.NDX）への参照を提供します。 ``` 核種データベース（ICRP-07.NDX）の物理的内容: - 放射性崩壊定数 λ [s⁻¹] - γ線放出確率 Y [/decay] - γ線エネルギースペクトル E_γ [keV] - 子孫核種への分岐比 - 平衡時の放射能比 ``` **物理的正確性への影響**: - データベース未設定 → 核種物性の欠如 → 線源強度計算エラー - 子孫核種の無視 → 実際より過小評価 - エネルギースペクトル欠如 → 遮蔽効果の誤評価 **設定方法（物理計算品質確保のため）**: ```bash # Windows環境での設定 setx POKER_INSTALL_PATH "C:/Poker" # Linux環境での設定 export POKER_INSTALL_PATH="/usr/local/share/poker" ``` --- ## ⚛️ 放射線遮蔽理論の基礎 ### 🌟 **遮蔽計算の物理的意味** **遮蔽とは何か？** 放射線遮蔽とは、**放射線と物質の相互作用により放射線強度を減衰させる物理現象**です。 ``` 入射放射線 → [遮蔽材] → 透過放射線 I₀ I ``` **基本減衰法則**: ``` I = I₀ × e^(-μt) × B(μt, E) ``` - **I₀**: 入射強度 - **I**: 透過強度 - **μ**: 線減衰係数(cm⁻¹) - **t**: 遮蔽厚さ(cm) - **B(μt, E)**: ビルドアップ係数 ### 🔬 **放射線と物質の相互作用機構** #### **ガンマ線の相互作用** **1. 光電効果(Photoelectric Effect)** ``` γ + 原子 → 電子 + イオン ``` - **支配領域**: 低エネルギー(<0.5 MeV) - **断面積 ∝ Z⁵/E^3.5**: 原子番号の5乗に比例 - **完全吸収**: ガンマ線が完全に消失 **2. コンプトン散乱(Compton Scattering)** ``` γ + e⁻ → γ' + e⁻ ``` - **支配領域**: 中間エネルギー(0.5-10 MeV) - **断面積 ∝ Z**: 原子番号に比例 - **部分的減衰**: エネルギー転移と方向変化 **3. 電子対生成(Pair Production)** ``` γ → e⁺ + e⁻ (E > 1.022 MeV) ``` - **支配領域**: 高エネルギー(>10 MeV) - **断面積 ∝ Z²**: 原子番号の2乗に比例 - **閾値**: 1.022 MeV（電子の静止質量エネルギーの2倍） #### **中性子の相互作用** **1. 弾性散乱(Elastic Scattering)** ``` n + 核 → n + 核 ``` - **減速**: 中性子エネルギーの減少 - **軽核が効果的**: 水素、ベリリウム、炭素 **2. 非弾性散乱 (Inelastic Scattering)** ``` n + 核 → n + 核* → n + 核 + γ ``` - **高エネルギー中性子**: >1 MeV - **ガンマ線生成**: 二次ガンマ線の考慮が必要 **3. 吸収反応 (Absorption)** ``` n + 核 → 生成物 + エネルギー ``` - **(n,γ)反応**: 熱中性子の主要反応 - **(n,α), (n,p)反応**: 軽核での反応 - **核分裂**: 重核での反応 --- ## 📐 ビルドアップ係数の物理 ### **ビルドアップ係数とは** 単純な指数減衰則では、**散乱線の寄与を考慮できません**。ビルドアップ係数B(μt, E)は、散乱線を含む総線量を補正する係数です。 ``` B(μt, E) = 透過線量（散乱含む）/ 透過線量（散乱なし） ``` ### **BuildupFactor操作の4メソッドの物理的意味** #### **1. proposeBuildupFactor** 新しい材料のビルドアップ係数計算を設定します。 物理パラメータ： - **use_slant_correction**: 斜め入射時の経路長増加を補正 - **use_finite_medium_correction**: 有限媒体での境界効果を補正 #### **2. updateBuildupFactor** 既存材料の計算パラメータを変更します。 #### **3. deleteBuildupFactor** 材料のビルドアップ係数を計算から除外します。 #### **4. changeOrderBuildupFactor** **計算順序の物理的意味**： - 多層遮蔽での層順序効果 - エネルギー依存性の考慮順序 - 計算収束性の改善 --- ## 📊 実装されている立体形状の物理的意味 ### 🔷 **10種類立体タイプの完全対応** #### **1. SPH（球体）- 点線源遮蔽の基本** **物理的意味**: - **等方性**: すべての方向に均等な遮蔽効果 - **距離減衰**: 1/r²法則が明確に適用 - **対称性**: 解析的解が存在する理想形状 **パラメータ**: ```yaml center: "x y z" # 球心座標 [長さ単位] radius: float # 半径 [長さ単位], 範囲: 0.001-10000 ``` **適用例**: - 点線源周りの球対称遮蔽 - 原子炉圧力容器の概略モデル - 医療用密封線源の遮蔽計算 #### **2. RCC（直円柱）- 軸対称構造** **物理的意味**: - **軸対称性**: 円柱軸周りの対称な遮蔽効果 - **端面効果**: 円柱端面での散乱・漏えいの考慮 - **実用性**: 多くの実構造物との対応 **パラメータ**: ```yaml bottom_center: "x y z" # 底面中心 [長さ単位] height_vector: "x y z" # 高さベクトル [長さ単位] radius: float # 半径 [長さ単位], 範囲: 0.001-10000 ``` **適用例**: - 燃料棒集合体 - 廃棄物保管容器 - 冷却配管の遮蔽 #### **3. RPP（軸平行直方体）- 建築構造の基本** **物理的意味**: - **座標軸平行**: 計算効率が高い - **建築構造**: 実際の建物形状との直接対応 - **境界条件**: 明確な境界面 **パラメータ**: ```yaml min: "x y z" # 最小座標 [長さ単位] max: "x y z" # 最大座標 [長さ単位] ``` **適用例**: - 遮蔽室・遮蔽壁 - 建物構造の簡略モデル - 直方体容器 #### **4. BOX（任意直方体）- 複雑配置対応** **物理的意味**: - **任意方向**: 傾斜・回転した構造物 - **3ベクトル定義**: 柔軟な形状定義 - **実測対応**: 実際の傾斜構造との対応 **パラメータ**: ```yaml vertex: "x y z" # 基準頂点 [長さ単位] edge_1: "x y z" # エッジベクトル1 [長さ単位] edge_2: "x y z" # エッジベクトル2 [長さ単位] edge_3: "x y z" # エッジベクトル3 [長さ単位] ``` **適用例**: - 傾斜遮蔽壁 - 任意角度の構造物 - 複雑な設備配置 #### **5. CMB（組み合わせ）- 複合形状** **物理的意味**: - **集合演算**: 複数立体の論理演算 - **複雑形状**: 単純立体では表現困難な形状 - **穴あき構造**: 貫通部・空洞の表現 **パラメータ**: ```yaml expression: "body1 + body2 - body3" # 集合演算式 # + : 和集合（UNION） # - : 差集合（DIFFERENCE） # & : 積集合（INTERSECTION） ``` **適用例**: - 貫通配管のある遮蔽壁 - 複雑な機器形状 - 多重遮蔽構造 #### **6. TOR（トーラス）- 環状構造** **物理的意味**: - **環状対称**: 環状方向の均一性 - **曲率効果**: 曲面での散乱特性 - **トポロジー**: ドーナツ型の閉曲面 **パラメータ**: ```yaml center: "x y z" # 中心座標 [長さ単位] normal: "x y z" # 軸方向単位ベクトル major_radius: float # 主半径 [長さ単位] minor_radius_horizontal: float # 水平副半径 [長さ単位] minor_radius_vertical: float # 垂直副半径 [長さ単位] ``` **適用例**: - トカマク型核融合炉 - 環状配管 - 曲管部の遮蔽 #### **7. ELL（楕円体）- 非球対称構造** **物理的意味**: - **3軸不等**: 異方性のある遮蔽効果 - **滑らかな曲面**: 応力集中の回避 - **変形球**: 実際の容器形状への対応 **パラメータ**: ```yaml center: "x y z" # 中心座標 [長さ単位] radius_vector_1: "x y z" # 半径ベクトル1 [長さ単位] radius_vector_2: "x y z" # 半径ベクトル2 [長さ単位] radius_vector_3: "x y z" # 半径ベクトル3 [長さ単位] ``` **適用例**: - 加圧容器の端部 - 楕円形タンク - 生体遮蔽の近似 #### **8. REC（楕円柱）- 非円形断面柱** **物理的意味**: - **楕円断面**: 非円形の柱状構造 - **方向性**: 断面の長軸・短軸効果 - **実構造対応**: 変形した配管等 **パラメータ**: ```yaml bottom_center: "x y z" # 底面中心 [長さ単位] height_vector: "x y z" # 高さベクトル [長さ単位] radius_vector_1: "x y z" # 半径ベクトル1 [長さ単位] radius_vector_2: "x y z" # 半径ベクトル2 [長さ単位] ``` **適用例**: - 楕円形ダクト - 変形容器 - 特殊形状配管 #### **9. TRC（円錐台）- テーパー構造** **物理的意味**: - **テーパー形状**: 連続的な断面変化 - **ストリーミング**: 狭小部での線束集中 - **実用形状**: ノズル・ホッパー形状 **パラメータ**: ```yaml bottom_center: "x y z" # 底面中心 [長さ単位] height_vector: "x y z" # 高さベクトル [長さ単位] bottom_radius: float # 底面半径 [長さ単位] top_radius: float # 上面半径 [長さ単位] ``` **適用例**: - コリメータ - ビームダクト - ホッパー・漏斗形状 #### **10. WED（楔形）- くさび構造** **物理的意味**: - **非対称形状**: 方向による遮蔽厚さの変化 - **斜面効果**: 斜め入射での経路長変化 - **隙間充填**: 複雑形状の隙間処理 **パラメータ**: ```yaml vertex: "x y z" # 頂点座標 [長さ単位] width_vector: "x y z" # 幅ベクトル [長さ単位] height_vector: "x y z" # 高さベクトル [長さ単位] depth_vector: "x y z" # 奥行きベクトル [長さ単位] ``` **適用例**: - 斜め遮蔽板 - 隙間の充填材 - 段差部の遮蔽 --- ## 🔢 単位系の物理的整合性（5メソッド） ### **Unit操作の物理的意味** #### **1. proposeUnit - 単位系定義** 4つの基本物理量の単位を定義： - **length**: 長さの単位（m, cm, mm） - **angle**: 角度の単位（radian, degree） - **density**: 密度の単位（g/cm³） - **radioactivity**: 放射能の単位（Bq） #### **2. getUnit - 現在の単位系取得** 計算に使用中の単位系を確認 #### **3. updateUnit - 単位系変更** 既存データの単位変換を伴う単位系変更 #### **4. validateUnitIntegrity - 整合性検証** **物理的整合性チェック**: - 長さ単位と密度単位の整合性 - 角度単位の一貫性 - 放射能単位の適切性 #### **5. analyzeUnitConversion - 変換係数分析** **単位変換の物理**: ``` 変換例： 長さ: 1 m = 100 cm = 1000 mm 角度: 1 radian = 57.2958 degree 線量率: μSv/h = 10⁻⁶ Sv/h ``` --- ## 🧮 poker_cui計算の物理プロセス ### **計算アルゴリズムの概要** #### **1. レイトレーシング法** ``` 線源 → 遮蔽材通過 → 検出器 ``` - 線源から検出器への直線経路追跡 - 通過物質の同定と経路長計算 - 減衰計算の累積 #### **2. カットオフレートの物理的意味** ```yaml cutoff_rate: 0.0001 # デフォルト値 ``` - **意味**: 元の強度の0.01%以下は計算打ち切り - **効果**: 計算効率向上と精度のバランス - **選択基準**: 必要精度と計算時間のトレードオフ ### **サマリーファイルの物理的解釈** #### **入力パラメータセクション** ```yaml 入力パラメータ: bodies: [...] # 幾何形状定義 zones: [...] # 材料配置 sources: [...] # 放射線源 detectors: [...] # 評価点 ``` - 計算条件の完全な記録 - 再現性の保証 #### **intermediateセクション** ```yaml intermediate: source_1: detector_1: path_length: 50.0 # 経路長 [cm] materials: ["CONCRETE"] # 通過材料 attenuation: 0.123 # 減衰係数 ``` - 物理的な透過経路の詳細 - 減衰計算の中間値 #### **resultセクション** ```yaml result: source_1: detector_1: dose: 1.23e-5 # 線量率 buildup: 2.5 # ビルドアップ係数 ``` - 個別線源からの寄与 - 散乱線を含む実効線量 #### **result_totalセクション** ```yaml result_total: detector_1: total_dose: 2.46e-5 # 総線量率 [μSv/h] dominant_source: "source_1" # 主要線源 ``` - 全線源からの総和 - 支配的な線源の特定 --- ## 🧪 材料データベースの詳細 ### **13種類の標準材料物性値** | 材料名 | 密度範囲 (g/cm³) | 推奨密度 | 原子番号 (実効) | 主要用途 | |--------|------------------|----------|-----------------|----------| | Carbon | 1.5-2.3 | 2.0 | 6 | 減速材・黒鉛 | | Concrete | 2.0-2.5 | 2.3 | 11 | 建築遮蔽・生体遮蔽 | | Iron | 7.0-7.9 | 7.86 | 26 | 重遮蔽・構造材 | | Lead | 10.0-11.4 | 11.34 | 82 | γ線遮蔽・防護板 | | Aluminum | 2.5-2.8 | 2.70 | 13 | 軽量遮蔽・筐体 | | Copper | 8.5-9.0 | 8.96 | 29 | 配管遮蔽・熱交換器 | | Tungsten | 18.0-19.3 | 19.3 | 74 | 高密度遮蔽・コリメータ | | Air | 0.001-0.002 | 0.00129 | 7.3 | 空間・大気 | | Water | 0.9-1.1 | 1.0 | 7.4 | 減速・遮蔽・冷却 | | PyrexGlass | 2.2-2.3 | 2.23 | 10 | 観察窓・光学材料 | | AcrylicResin | 1.1-1.2 | 1.18 | 6.5 | 透明遮蔽・プラスチック | | Polyethylene | 0.92-0.97 | 0.95 | 5.4 | 中性子遮蔽・減速材 | | Soil | 1.5-2.0 | 1.8 | 11 | 地中遮蔽・埋設 | | VOID | - | 0 | 0 | 真空・空隙・計算境界 | ### **減衰係数データ源** - **光子**: NIST XCOM データベース - **中性子**: ENDF/B-VII.1 評価済み核データ - **エネルギー範囲**: 10 keV - 20 MeV --- ## ☢️ 子孫核種自動追加の物理 ### **放射平衡の理論** #### **永続平衡 (Secular Equilibrium)** ``` 条件: T₁/₂(親) >> T₁/₂(子) 関係: A(子) = A(親) ``` #### **過渡平衡 (Transient Equilibrium)** ``` 条件: T₁/₂(親) > T₁/₂(子) 関係: A(子) = A(親) × λ(子)/(λ(子)-λ(親)) ``` #### **非平衡 (No Equilibrium)** ``` 条件: T₁/₂(親) < T₁/₂(子) 関係: 時間依存の複雑な関係 ``` ### **ICRP-07データベースの活用** ```yaml データ構造: - 核種: 1252核種 - 崩壊系列: 完全な系列情報 - 崩壊定数: 高精度データ - 分岐比: 崩壊経路の確率 ``` ### **寄与閾値5%の物理的根拠** - **測定精度**: 一般的な測定器の精度限界 - **規制要求**: 有意な寄与とみなす基準 - **計算効率**: 無視できる寄与の除外 ### **実装例: Cs-137の場合** ```yaml 親核種: Cs-137: 半減期: 30.17年 崩壊: β⁻崩壊 子孫核種: Ba-137m: 半減期: 2.55分 崩壊: IT (γ線 662 keV) 平衡時の放射能比: 0.946 自動追加の判定: - 寄与率: 94.6% > 5% → 自動追加対象 ``` --- ## 🔄 28メソッドの物理的背景 ### **メソッドカテゴリーの物理的意味** #### **Body操作（3メソッド）** - **propose**: 新規形状の定義 - **update**: 形状パラメータの変更 - **delete**: 形状の除去 **物理的意味**: 遮蔽体の幾何学的配置 #### **Zone操作（3メソッド）** - **propose**: 材料割り当て - **update**: 材料・密度変更 - **delete**: 材料除去 **物理的意味**: 物質分布の定義 #### **Transform操作（3メソッド）** - **propose**: 座標変換定義 - **update**: 変換パラメータ変更 - **delete**: 変換除去 **物理的意味**: 空間配置の最適化 #### **BuildupFactor操作（4メソッド）** - **propose**: 係数計算設定 - **update**: 計算パラメータ変更 - **delete**: 係数除外 - **changeOrder**: 計算順序変更 **物理的意味**: 散乱線寄与の精密計算 #### **Source操作（3メソッド）** - **propose**: 線源配置 - **update**: 線源パラメータ変更 - **delete**: 線源除去 **物理的意味**: 放射線場の定義 #### **Detector操作（3メソッド）** - **propose**: 評価点設定 - **update**: 位置・条件変更 - **delete**: 評価点除去 **物理的意味**: 線量評価位置 #### **Unit操作（5メソッド）** - **propose**: 単位系定義 - **get**: 単位系確認 - **update**: 単位変更 - **validateIntegrity**: 整合性確認 - **analyzeConversion**: 変換係数計算 **物理的意味**: 物理量の一貫性保証 #### **その他の操作（3メソッド）** - **applyChanges**: 変更の確定 - **executeCalculation**: 計算実行 - **resetYaml**: 初期化 - **confirmDaughterNuclides**: 子孫核種確認 **物理的意味**: 計算制御と品質保証 --- ## 📊 計算精度と誤差評価 ### **統計誤差の評価** #### **モンテカルロ法との比較** POKERは決定論的手法のため統計誤差なし - **利点**: 再現性、高速計算 - **欠点**: 複雑形状での近似誤差 #### **系統誤差の要因** 1. **断面積データの不確かさ**: ±2-5% 2. **ビルドアップ係数の近似**: ±5-10% 3. **幾何形状の離散化**: ±1-3% 4. **カットオフによる打ち切り**: <0.1% ### **推奨精度設定** | 用途 | カットオフレート | 期待精度 | 計算時間 | |------|-----------------|----------|----------| | 概略設計 | 0.01 | ±20% | 短 | | 詳細設計 | 0.001 | ±10% | 中 | | 最終評価 | 0.0001 | ±5% | 長 | | 研究用 | 0.00001 | ±2% | 非常に長 | --- ## 🔍 結果の物理的妥当性確認 ### **チェックリスト** #### **1. 距離減衰の確認** ``` 期待値: 線量率 ∝ 1/r²（点線源の場合） 確認方法: 距離を2倍 → 線量率が1/4 ``` #### **2. 遮蔽効果の確認** ``` 期待値: I/I₀ = e^(-μt)（狭ビームの場合） 確認方法: 半価層での減衰が1/2 ``` #### **3. エネルギー依存性** ``` 低エネルギー: 光電効果優勢 → 重元素有効 高エネルギー: コンプトン散乱優勢 → 軽元素も有効 ``` #### **4. 異常値の判定基準** - 負の線量値 → 計算エラー - 10桁以上の変動 → 形状定義エラー - 距離増加で線量増加 → 配置エラー --- ## 📚 参考文献・規格 ### **基準・規格** - ICRP Publication 116: 外部被ばく換算係数 - ICRP Publication 107: 核崩壊データ - ANSI/ANS-6.1.1: ガンマ線減衰係数 - ISO 8529: 中性子参照場 ### **データベース** - NIST XCOM: 光子断面積 - ENDF/B-VII.1: 評価済み核データ - JENDL-4.0: 日本評価済み核データ ### **教科書・文献** - Shultis & Faw: "Radiation Shielding" - Chilton et al.: "Principles of Radiation Shielding" - 日本原子力学会: "放射線遮蔽ハンドブック" --- **📋 関連マニュアル** - [ESSENTIAL_GUIDE.md](ESSENTIAL_GUIDE.md): 基本操作 - [QUICK_REFERENCE.md](QUICK_REFERENCE.md): クイックリファレンス - [INTEGRATION_GUIDE.md](INTEGRATION_GUIDE.md): システム統合 - [RESEARCH_WORKFLOWS.md](RESEARCH_WORKFLOWS.md): 研究ワークフロー - [TROUBLESHOOTING.md](TROUBLESHOOTING.md): トラブルシューティング