宇宙放射線トータルドーズ計算

SHIELDOSE-2 近似モデルの内部ロジック

現在のシミュレーター（SHIELDOSE-2近似モデル）の内部で、実際にどのような数式が動いているのか、具体的な計算ロジックを詳しく解説します。
このアプリでは、複雑なモンテカルロ・シミュレーション（粒子を一つ一つ飛ばす計算）の代わりに、「放射線の種類ごとに異なる指数減衰関数（Exponential Decay）」を組み合わせることで、SPENVISと同等のDose-Depth（線量-深さ）曲線を再現しています。
大きく分けて「1. 面密度の計算」と「2. 成分ごとの減衰計算」の2ステップで構成されています。

1. 基準となる「面密度（Areal Density）」の計算

放射線の遮蔽能力は、単なる厚み（mm）ではなく、材質の密度を含めた面密度（g/cm²）で決まります。
アプリ内ではまず、入力された厚みと材質から面密度を計算します。

2. 成分ごとの減衰モデル（数式）

宇宙放射線は性質が全く異なる成分の集まりであるため、アプリ内では以下の4つの成分に分けて別々に減衰計算を行い、最後に合算しています。

• ① 銀河宇宙線 (GCR)
  非常にエネルギーが高く、分厚いシールドでもほとんど減衰しません。
  計算式: Dose_GCR = 初期値 × exp(-0.01 × 面密度)

  解説: 減衰係数を 0.01 という非常に小さな値に設定しており、シールドを20mmにしてもほとんど値が下がらない（貫通してくる）特性を再現しています。

• ② 陽子 (SPE および トラップ陽子)
  陽子の遮蔽能力は「原子番号（Z）が小さいほど高い（＝水素を多く含むポリエチレンなどが有利）」という物理特性があります。これを再現するため、基準となるアルミ（Z=13）からの比率を用いて減衰係数 μ_p を計算しています。
  減衰係数 μ_p = 1.2 × √(13 / Z)
  
  SPE計算式: Dose_SPE = 初期値 × exp(-μ_p × 面密度)
  トラップ陽子計算式: Dose_{Trapped_P} = 初期値 × exp(-(μ_p × 1.5) × 面密度)

  解説: トラップ陽子（ヴァン・アレン帯）はSPE（太陽フレア）よりも平均エネルギーが低いため、減衰係数を1.5倍にして「より浅いシールドでストップしやすい」ように調整しています。

• ③ トラップ電子 (Trapped Electron)
  電子は物質にぶつかると急激にエネルギーを失い、数mmのアルミで完全にストップします。
  計算式: Dose_Electron = 初期値 × exp(-6.0 × 面密度)

  解説: 減衰係数を 6.0 と非常に大きく設定しています。これにより、MEOやGEOの表面で数百万Radという致死的な電子が飛んでいても、アルミ2〜3mm（面密度約0.5〜0.8）でほぼゼロまで急減衰する、SPENVIS特有の「崖のようなグラフ」を作っています。

• ④ 制動放射 (Bremsstrahlung / 二次ガンマ線)
  ここがこのアプリの最も重要な工夫点です。ストップした電子のエネルギーの一部は、貫通力の高いX線・ガンマ線に変換されます。この発生効率は、材質の原子番号（Z）に比例します。
  発生効率 = 0.0001 × (Z / 13) （※アルミの時に電子の0.01%がガンマ線に変わると近似）
  
  計算式: Dose_Brems = (電子の初期値 × 発生効率) × exp(-0.02 × 面密度)

  解説: 銅（Z=29）のような重い金属を使うと、この発生効率が跳ね上がります。また、発生したガンマ線はGCRに近い貫通力（減衰係数 0.02）を持つため、グラフ上で「電子が急減衰した後に、平坦に残り続ける線量（テイル）」として現れます。

（補足）地球低軌道 (LEO) の初期値について

LEOの計算では、入力された「高度(H)」と「傾斜角(I)」から、ヴァン・アレン帯の影響を数式で近似しています。

高度が300kmを超えると指数関数的に被ばく量が増え、また傾斜角の三角関数によって極軌道やSAA通過時の振る舞いをシミュレートしています。

3. 環境モデル（地磁気バリアと深宇宙環境）

• 地球周回軌道 (LEO, MEO, GEO):
  主に地球磁場（地磁気バリア）とそれに捕獲された放射線帯のモデルに基づいています。NASAのAP-8/AE-8モデル等の挙動を近似しています。高度300kmを超えるとSAA(南大西洋異常帯)の影響により被ばく量が指数関数的に増加する式を用いています。
• 月トランスファー軌道 / 月面:
  地球の磁気バリアの外に出るため、地球周回モデルは使用せず、深宇宙モデルで定義される銀河宇宙線とSPEのフラックスをベースとしています。月面では「月自体」が下半球を物理的に100%遮蔽するため、深宇宙の半分のフラックスとなります。

4. 補足：計算のベースとなる公式ツールと放射線源

• SPENVIS (Space Environment Information System):
  欧州宇宙機関 (ESA) が提供する、宇宙環境とその宇宙機への影響をモデリングするためのWebベースの標準的なソフトウェアシステムです。実際の人工衛星設計ではこのツールを用いた厳密な解析が行われます。SPENVIS公式サイト
• SHIELDOSE-2:
  米国国立標準技術研究所 (NIST) によって開発された、宇宙空間の電子・陽子環境における吸収線量を計算するための標準的なコンピュータコードです。SPENVISの内部でも主要な線量計算エンジンとして使用されています。SHIELDOSE-2 (NASA CCMC)
• 放射線量の源泉:
  本アプリの基礎となる放射線は主に3種類です。太陽系外から飛来する高エネルギー粒子である銀河宇宙線 (GCR)、太陽フレア等に伴う太陽粒子イベント (SPE)、そして地球磁場に捕捉された電子や陽子からなるトラップ粒子 (ヴァン・アレン帯)です。これらはNASAや各国の研究機関が長年観測・構築してきた環境モデル（AP-8/AE-8やAP-9/AE-9など）をベースに評価されます。NASA CCMC (モデル・データベース)