ファストラッド

FASTRADは、電子機器に対する放射線の影響（線量と変位損傷）を計算するためのツールです。 ^[1]このソフトウェアは、主に衛星の設計に使用されていますが、高エネルギー物理学や核実験、医療分野、加速器や宇宙物理学の研究にも使用されています。

FASTRADは放射線に敏感なシステムの解析と設計に特化した放射線ツールです。このプロジェクトは、製品の親会社であるTRAD ^[2]の設立から5年後の1999年に作成され、それ以来活発に開発が続けられています。

時間の経過とともに、衛星メーカーが提供できる耐放射線性は大幅に向上しました。電力/質量比の観点からの宇宙システムの最適化、または電子機器の小型化は、宇宙放射線環境に対するシステムの感受性を高める傾向があります。耐放射線性プロセスへの影響を軽減するための最初の解決策は、大まかな遮蔽分析を、システムに対する実際の放射線制約の正確な推定に置き換えることです。歴史的に、FASTRAD はこの業界を支援してきました。

このソフトウェアの主な目的は、放射線解析を推定する保守的なアプローチから生じるマージンを削減し、シールドの最適化のための機械設計変更のサイクル タイムを短縮することです。場合によっては、非耐放射線部品の使用を正当化し、宇宙プログラム機器のコストと計画を節約するために使用できます。

宇宙アプリケーションの場合、ソフトウェアは衛星システム全体をシミュレートできます。

このツールの主な CAD 機能は次のとおりです。

• 複数の単純なプリミティブの作成
• STEPまたはIGES形式のファイルからの複雑な3Dジオメトリの挿入
• 標準モデリングツールセット（クリッピングプレーン、2D投影、測定ツール、色、ビューショットなど）^[3]

ソフトウェアの核となるのは、放射線 3D モデラーです。エンジンの目的は、あらゆる機械設計のリアルなモデルを作成することです。インターフェースの主要部分は表示ウィンドウで、ユーザーはここで設計を操作できます。

3D ソリッドは、コンポーネント ツールバーを使用するか、標準の STEP または IGES 形式で他のサードパーティ ソフトウェア ( CATIA、Pro/Engineerなど) からインポートして定義できます。FASTRAD に含まれるOpen Cascadeライブラリは、カット操作、複雑な形状の管理、STEP および IGES 交換形式モジュールなどの高度な視覚化機能を提供します。高度な STEP モジュールを使用すると、階層、名前、および色の情報をインポートできます。その後、完全な 3D デザイナー モデルが FASTRAD によって管理されます (視覚化、放射計算、後処理)。

材料特性は、放射線シミュレーションの最も重要な部分の 1 つです。インターフェースを使用すると、化学組成を決定することによって、（複合）材料の各要素の密度や質量比など、3D モデルの各ソリッドの材料特性を設定できます (図 1 を参照)。定義済み材料のリストは、ユーザーが拡張できます。^[3]

模擬放射線検出器を3Dモデル上に配置することができます。このようにして、モンテカルロアルゴリズムを使用して粒子と物質の相互作用によるエネルギー蓄積を詳細に計算したり（以下の「線量計算と遮蔽」を参照）、レイトレーシングアプローチを使用して、3Dモデルの任意のポイントで放射線の影響を推定することができます。^[3]

インターフェイスには、さらにいくつかの機能 (ローカル フレーム表示、インタラクティブな測定ツール、コンテキスト メニューなど) が含まれています。

放射線モデルが完成したら、ユーザーはソフトウェアのセクター分析モジュールを使用して、蓄積線量の推定を行うことができます。このレイトレーシング モジュールは、線量深度曲線を使用して、放射線モデルからの情報と放射線環境の情報を組み合わせます。この線量深度曲線は、アルミニウム球状シールドの厚さの後ろにあるターゲット材料 (主に電子デバイス用のシリコン) に蓄積された線量を示します。この計算は、3D モデルに配置された各検出器に対して実行されます。複雑な形状の場合でも、計算によって次の 2 種類の情報が提供されます。

• 各検出器の周囲の3D分布質量
• 等方性放射線環境における推定蓄積線量

FASTRAD は、これらの結果を後処理して、複数の表示表現タイプを使用して最適なシールド位置に関する情報を提供します。図 2 は、電子ボードの 1 つのコンポーネントから見た質量分布のマッピングを示しています。赤い領域は、シールドの厚さに関して重要な方向を示しています。

ユーザーは、研究対象の検出器で受ける線量を減らすために使用できる追加の遮蔽物のサイズを最適化することができます。^{[引用が必要]}

このプロセスの主な利点は、このタスクを完了するために必要な時間が短いことと、セクター分析後処理によって提供される明確に定義された機械的シールド ソリューションです。

ソフトウェアの線量計算には、モンテカルロモジュール^{[3] （} CNESとのパートナーシップを通じて開発）が使用されています。このアルゴリズムは、順方向プロセスと逆方向プロセスのどちらでも使用できます。前者の場合、ソフトウェアは3D モデルで 1keV から 10 MeV までの電子と光子（二次粒子を含む）の輸送を管理します。二次光子と電子の生成が考慮されます。任意のタイプのエネルギースペクトルとソースジオメトリを定義できます。感度体積（SV）はユーザーが選択し、FASTRAD は SV 内の蓄積エネルギーを計算します。逆モンテカルロモジュールは、複雑でマルチスケールのジオメトリでの電子の等方性照射による線量計算専用であり、その結果、順方向アルゴリズムでは計算時間が長くなる可能性があります。逆法の原理は、以下を使用することです。

1. SV近傍における前方粒子追跡法
2. SV から外部ソースまでの後方粒子追跡法。

電子輸送のための逆モンテカルロ法では、一次電子と二次光子によるエネルギーの蓄積を考慮に入れます。

モンテカルロ モジュールは、順方向アルゴリズムについてはGEANT4 の結果と、逆方向メソッドについては US フォーマットとの比較により、正常に検証されました。1 つの例は、衛星構造内の電子機器の場合です。放射線環境は、静止ミッションの電子エネルギー スペクトル (10 keV から 5 MeV まで) に対応します。

Geant4は、世界中の科学者とソフトウェアエンジニアの協力によって維持されている粒子-物質相互作用ツールキットです。^[4] このC++ライブラリには、3Dジオメトリを介した粒子の追跡エンジンとともに、さまざまな相互作用断面データとモデルが含まれています。

FASTRAD ソフトウェアに実装されているGeant4インターフェースは、3D ジオメトリの作成、粒子源の定義、物理リストの設定、およびコンパイル可能なGeant4プロジェクトですべての結果ソース ファイルを作成できるツールを提供します。このツールは、 Geant4 の世界に足を踏み入れる必要のある若いエンジニアにとって便利で、FASTRAD をチュートリアル ツールとして使用できます。また、ジオメトリ、材料、基本的な物理を記述するC++ファイルの作成に時間をかけたくない専門家にとっても便利です。専門家は、FASTRAD によって作成されたGeant4プロジェクトを、物理アプリケーションに関連する特定の機能によって強化できるベースとして使用できます。Geant4は、すでに宇宙、医療、原子力、航空、軍事アプリケーションで使用されているため、 Geant4インターフェースによってソフトウェアは幅広い放射線関連分野に対応できます。放射線 CAD 機能により、放射線に敏感なシステム解析のエンジニアリング プロセスが容易になります。

FASTRAD は、STEP インポートとブール演算用の3D およびOpen Cascadeライブラリを管理するために、 OpenGLを使用したC++を使用して開発されました。OS エミュレータ (PowerPC、VMware ...) を使用して Mac および LINUX でテストされました。^{[引用が必要]}

コンピュータ要件: 構成: Windows Vista/XP/NT/2000 - 512 Mo RAM - 50 Mo HDD。

• 初心者（EMPC）（[1]）
• Geant4 - ジオメトリとトラッキング
• IGES - 初期グラフィックス交換仕様
• CATIA - コンピュータ支援 3 次元インタラクティブ アプリケーション
• ラッチアップ
• RayXpert - モンテカルロ法でガンマ線量率を計算する3Dモデリングソフトウェア

• FASTRADはTRADによって配布されています。公式TRADウェブサイト
• FASTRAD公式ウェブサイト