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Monte Carlo
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Das Monte Carlo Strahlungstransportprogramm AMOS (Allgemeine Monte Carlo Simulation) wird an der TU Dresden seit 1989 entwickelt. Ursprünglich für die Simulation des Neutronentransports ausgelegt erfolgte Mitte der neunziger Jahre der Umbau und die Optimierung auf den Photonentransport. Aufgrund spezieller Fragestellungen aus der Strahlenbiologie wurde 2001 mit der Entwicklung des Elektronentransports begonnen und später mit dem Photonentransport gekoppelt. Die Erweiterung der Anwendungsgebiete auf Neutronenfelder und -dosimetrie erforderte eine Wiedereinführung des Neutronentransports, welcher seit 2012 realisiert ist. Aktuell werden die komplexen Kopplungspfade mit den Strahlungsfeldern der anderen Teilchenarten implementiert.

Durch die Verwendung von C++ als Programmiersprache können alle Vorteile der objektorientierten Programmierung genutzt werden. Dadurch ist der Programmcode flexibel und für den Entwickler einfach erweiterbar im Hinblick auf die Einführung neuer Teilchenarten oder Wechselwirkungen. Dem Nutzer steht letztendlich ein Programm zur Verfügung, welches mit der Übergabe weniger Eingabeparameter alle notwendigen Simulationsattribute selbständig initialisiert und ausführt.

Im Gegensatz zu anderen Programmsystemen hat AMOS keine reinen Gruppen- oder Punktdatenstruktur. Während die Teilchenenergien quasi kontinierlich dargestellt werden, sind die Wechselwirkungsdaten als Gruppendaten bereitgestellt. Letzteres erhöht die Zugriffsgeschwindigkeit und dank des großen Speichers moderner Computer werden die physikalischen Gegebenheiten immer noch sehr detailliert wiedergegeben.

Im Fokus der Anwendung von AMOS stehen Aufgabenstellungen aus dem Bereich der medizinischen und technischen Anwendung von Röntgeneinrichtungen und Radionukliden. Dazu gehören die medizinische Bildgebung und Tumortherapie genauso wie Strahlenschutz- und Detektorphysik. Damit ist der Energiebereich, in dem die Simulation von Photonen und Elektronen durchgeführt wird, auf 1 keV bis wenige MeV beschränkt. Die untere Energiegrenze ergibt sich auch aus den Wechselwirkungsdaten. Diese sind unterhalb 1 keV mit einer so großen Unsicherheit behaftet, dass die Verfolgung der Teilchen in desem Energiebereich die Sicherheit des Simulationsergebnisses nicht verbessert.

Neben der präzisen Simulation der unterschiedlichen Teilchenarten ist es essenziell, ein möglichst breites Spektrum geometrischer Strukturen realisieren zu können. In AMOS können dazu verschiedene Geometriemodelle angewendet und ggf. sogar in einer Simulation kombiniert werden (siehe Geometrie). Zu beachten ist, dass AMOS den wechselwirkungsfreien Weg eines Teilchens über einen ortsbezogenen Algorithmus lost und nicht oberflächenbezogen arbeitet. Mit dem Konzept der minimalen mittleren freien Weglänge wird grundsätzlich die kleinste mittlere freie Weglänge in der Umgebung verwendet, um eine Stichprobe für den aktuellen Transportschritt zu bestimmen. Am Zielort gibt dann das Verhältnis von minimaler und aktueller mittlerer freier Weglänge die Wahrscheinlichkeit für eine reale Wechselwirkung an. Durch anschließendes Losen wird bestimmt, ob eine solche an diesem Ort tatsächlich stattfindet. Ist dies nicht der Fall, findet ein sogenannter Nullstoß statt, bei dem alle Teilcheneigenschaften beibehalten werden - also keine Wechselwirkung durchgeführt wird.

Der Vorteil dieses Konzeptes liegt darin, dass während der Transportschritte keine Schnittpunkte der Teilchenbahn mit Grenzflächen berechnet werden müssen. Diese Berechnungen sind im Allgemeinen sehr zeitintensiv, insbesondere aufgrund dessen, dass sie sehr häufig durchgeführt werden müssen. Ein Nachteil stellt sich allerdings dann heraus, wenn eine Geometrie Bereiche enthält, die eine sehr kleine minimale mittlere freie Weglänge bedingen (z.B. Blei), und gleichzeitig lange Strecken durch Material zurückgelegt werden, welches an sich eine große mittlere freie Weglänge aufweist (z.B. Luft). Dann ergibt sich eine sehr große Zahl an Nullstößen, was wiederum die Simulation stark bremst. Dieser Nachteil wird jedoch durch das Konzept der Weltquader kompensiert. Hierbei wird die Geometrie so in Teilgebiete unterteilt, dass der Unterschied zwischen größter und kleinster mittlerer freier Weglänge gering ist. Wechselt das Teilchen den Weltquader, so muss zwar der Durchstoßpunkt berechnet werden, dies geschieht jedoch dann vergleichweise selten.

Durch Kombination dieser Vorteile wurde AMOS im Laufe der Zeit zu einem sehr effizienten Strahlungstransportprogramm entwickelt.

Senden Sie E-Mail mit Fragen oder Kommentaren zu dieser Website an: PD Dr. J. Henniger
Stand: 09. 12. 2016
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