Forward and adjoint Monte Carlo coupling technique has been developed for analysing detector response in a very highly absorbing system or in a system with small detector and small source. Multiplying the forward transport equation by adjoint flux, and the adjoint transport equation by forward flux, and subtracting the two equations, and then integrating over all variables, and then finally appling Gauss Theorem, we obtain the general reciprocity equation. Integrating this reciprocity equation at some boundary, we can obtain the detector response. Forward and adjoint fluxes are scored at some boundary called midway, inclosing the source or the detector region. The detector response is calculated by coupling the calculated forward and adjoint flux at the midway. By coupling the forward and the adjoint fluxes at the midway, this method makes the problem independent of the detector size, which is very important for the calculation efficiency. This method eliminates particles that are absorbed and do not contribute to the detector and calculates a special kind of particles called contributons, which are never absorbed and contribute to the detector response. Using this method in deep penetration calculations can be advantageous, since classical Monte Carlo method gather large amount of irrelevant infromation. These contributons are emitted from the source and must pass through the midway between the source and the detector.
The mathematical basis for this theory is shown as well as the physical meaning of the contributon. The reliability and efficiency for this method were shown by solving a sample photon and neutron problem, with a point detector, and source region relatively small compared to the midway region. Finally, an application of this method to shielding analysis to Korea Superconducting Tokamak Advanced Research(KSTAR) is demonstrated, showing an increase in calculation efficiency, depending on the distance between the neutron source and the detector.
방사선 차폐문제를 계산하는 많은 방법이 지금까지 제안되었다. 이러한 방사선 차폐 문제를 계산하는 방법은 방사선 수송식을 푸는 것이다. 하지만 방사선 수송식은 문제가 간단하지 않고서는 정확한 값을 얻어낼수가 없다. 이러한 문제를 풀기 위하여, 몬테칼로방법이 있다. 몬테칼로방법은 방사선 수송식을 푸는 것이 아니고, 입자 하나하나를 모사하는 방법이다. 방사선 수송 해석을 위한 몬테칼로계산 방법은 크게 forward와 adjoint 계산 방법으로 나뉠 수 있다. 작은 구역에서 입자가 출발하여 작은 구역으로 입자를 수송하기는 어렵다. Forward 계산 방법은 source region에서 detector region으로 입자를 수송하기 때문에, detector region이 크고, source region이 작을 때 유리하다. 반면에 adjoint 계산 방법은, 입자를 detector region에서 source region으로, 실제로 입자운동과 정반대로, 충돌에 의해 에너지를 얻으면서 수송하게 된다. 이러한 adjoint 계산 방법은, forward와는 정 반대로 source region이 크고, detector region이 작을 때 유리하다. 또한 흡수율이 높은 구간에서는, 수송되고 있는 입자의 대부분이, 원하는 detector region까지 가지 않고 대부분이 흡수되기 때문에 계산하기가 상당히 어렵다. 또한 이 두가지 방법은 detector까지 가지 않는 입자들의 계산 까지 하여야 하므로 계산 결과가 상당히 많이 걸린다. Detector region과 source region을 전체 구간에 대하여 완전히 나누는 임의의 구간을 만들고, 이 구간에서 forward와 adjoint 계산을 하여 이 두 결과를 coupling하면 forward source의 크기나 adjoint source 크기와는 독립적인 문제를 만들 수 있어, 크기가 크든 작든 상관없이 문제를 풀 수 있게 되나. 이 임의의 중간 지점을 midway라 불리운다. 또한 흡수율이 큰 물질이 있는 문제를 풀 때에는 중간 구간까지만 입자가 수송되게 하기 때문에 중간에 흡수되는 입자가 상대적으로 적어 detector response계산시 기존의 방법보다 빠르고 정확한 계산 결과를 얻을 수 있다. 임의의 구간에서 나오는 flux는 contributon flux로써, 기존의 flux와는 다른 개념이다. Contributon 은 source에서 출발하여, 흡수되어 사라지거나, 다른 boundary로 사라지지 않고, 실제로 detector에 contribution하는 입자라고 할 수 있다.
이 방법의 효율성과 신뢰성을 보여주기 위해 방사선 차폐문제에 흔히 볼 수 있는 간단한 감마선, 그리고 중성자 수송문제를 작은 source와 작은 detector에 대하여 계산을 하였다. 끝으로 이 방법의 실제 응용을 위하여 KSTAR에 대한 방사선 차폐문제에 관한 계산을 하였다.
