FLUKA-2
(sviluppo, maintenance e applicazione del codice FLUKA)
La Collaborazione FLUKA:
F.Ballarini,
G.Battistoni,
M.Campanella1,
M.Carboni1,
F.Cerutti, A. Clivio, A.Empl, A.Fasso, A.Ferrari, E.Gadioli,
M.V.Garzelli, M.Lantz, A.Mairani, A.Mostacci, S.Muraro,
A.Ottolenghi, M.Pelliccioni, L.Pinsky, J.Ranft, S.Roesler,
P.R.Sala, D.Scannicchio, S.Trovati, V.Vlachoudis, R.Villari2,
T.Wilson, N.Zapp
INFN & Univ. Milano, INFN & Univ. Pavia, INFN LNF, CERN,
Univ. of Houston, SLAC, Univ. of Siegen,
NASA-Houston
1Consortium GARR, 2Enea Frascati
Altri centri di interesse: CNAO, GSF-Monaco, Rossendorf
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1
Cosa e’ FLUKA:
General Purpose MC per trasporto e interazione
della classe “Condensed History”

Interazioni E.M. e di µ 1 keV – 10000 TeV

Interazione adrone-adrone e adrone-nucleo 0–10000 TeV

Interazione Nucleo-Nucleo 100 MeV/n – 10000 TeV/n

Per Neutroni sotto i 20 MeV: trasporto “multigruppo”

Interazioni CC e NC di neutrino 50 MeV-300 GeV (richiede driver
speciale)

Decadimento del protone (richiede driver speciale)

Trasporto di particelle cariche e neutre con/senza Campo
Magnetico. Possibilita’ di “Single Coulomb Scattering”

Generazione e trasporto fotoni “ottici” (Cherenkov, scintill.,
Transition Radiation)

Possibilita’ di usare moltecipli tecniche di “riduzione di varianza”
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Cenni storici
L’inizio
Il nome:
1962: Johannes Ranft (Leipzig) and Hans Geibel
(CERN): Monte Carlo fasci di protoni di alta energia
1970: studio di fluttuazioni evento per evento in un calorimetro
NaI (FLUktuierende KAskade)
dai 70’s a ≈1987: J. Ranft e collaboratori (Leipzig) con contributi da Helsinki University
of Technology (J. Routti, P. Aarnio) e CERN (G.R. Stevenson, A. Fassò)
Link con EGS4 in 1986, poi abbandonato
Il FLUKA moderno:
Dal 1989: sviluppato soprattutto in INFN Milano (A. Ferrari, P.R. Sala): ~non c’e’ quasi
piu’ traccia delle versioni precedenti. Link con il passato: J. Ranft and A. Fassò
1990: LAHET / MCNPX: generatore adronico high-energy FLUKA No update
1993: G-FLUKA (il package adronico di FLUKA in GEANT3). No update
2000: grant NASA per lo sviluppo di interazioni e trasporto di heavy ions
2001: Si propone il progetto INFN FLUKA
2002: FLUGG, interfaccia alla geometria di GEANT4
2003: collaborazione ufficiale CERN-INFN per sviluppo e distribuzione di FLUKA
2005: primo rilascio pubblico del sorgente.
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Code Design
L’enfasi di FLUKA è sulla qualita’ della modellistica di fisica e sulla sua
implementazione algoritmica.
Per quanto possibile si cerca sempre il cosiddetto ”approccio microscopico”
Tutti i modelli deveno essere autoconsistenti e scelti fra quelli largamente
accettati e testati dalla comunità scientifica che ha autorità sull’argomento.
I parametri liberi sono ottimizzati a livello di singola interazione
Tutte le leggi di conservazione devono essere implemente “a priori” e
verificate entro la precisione della macchina
Proprieta’ quali come le leggi di scala devono scaturire naturalmente dal
modello
Le correlazioni devono essere completamente preservate all’interno delle
singole interazioni e delle diverse componenti.
Non è ammesso il tuning con dati “integrali” quali risoluzioni di calorimetri,
yields da targette spesse, ecc.
I parametri non devono essere adattati ad hoc. e sI chiede all’utente di non
toccare i parametri chiave senza autorizzazione: vogliamo la “certificazione”
dei risultati.
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Alcune caratteristiche tecniche
~380 000 linee di codice Fortran
 Stack con Memory management dinamico
 Double Precision ovunque


Al momento certificato solo per Linux e “Digital-Unix”

Linux: compilatore GNU. Le floating point exceptions sono
attivate (cosa non automatica per questo compilatore) per
mezzo di una routine C.

Geometria: “Combinatoria” (boolean) e a “Voxel”
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Per cosa viene usato









particle physics: calorimetry, tracking and detector simulation
etc. (→ ALICE, ICARUS, ATLAS, CMS... )
cosmic ray physics (→ electrons, photons, muons hadron and
neutrinos in atmosphere)
accelerator design (→ LHC collimation dumps and other critical
points for the machine operation)
shielding design (→ Linac Coherent Light Source at SLAC, CERN)
dosimetry and radioprotection
space radiation
hadron therapy (→ CNAO)
neutronics
ADS systems (→”Energy amplifier”)
~700 utenti nel mondo
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Perchè FLUKA in Gr.5
Necessario riconoscere ufficialmente il lavoro che il
personale INFN dedica allo strumento
Si tratta di un lavoro a forte caratterizzazione
interdisciplinare
In particolare esisteva un aggancio storicamente
solido ad altre attività di Gr.5: acceleratori, fisica
medica, dosimetria, ecc.
Necessità
di
stabilire
e
regolamentare
la
collaborazione con CERN e altre agenzie non italiane.
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Consuntivo Attività FLUKA (2002-2005)
il primo periodo di attività INFN ha permesso di arrivare
ad una serie di obiettivi. I piu’ importanti sono:
1) alto grado di diffusione di FLUKA e sua disseminazione
(sono stati in particolare apprezzati i corsi per utenti)
2) caratterizzazione di FLUKA come prodotto INFN
3) nuova modellistica: in particolare per le collisioni nucleonucleo
4) sviluppo di applicazioni in diversi campi che vanno dalla
fisica delle alte energie (LHC), alla fisica dei raggi
cosmici, alla radioprotezione, con particolare rilievo per
le attivita nello spazio
5) sviluppo di una prima serie di nuovi tools software,
documentazione, supporto utenti, ecc.
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Agreement INFN-CERN
Sharing 70% INFN – 30% CERN
Delibera C.D. INFN Dicembre 2003
Fluka Coordinating Committee
Battistoni, Chiaveri, Harvey, Ranft, Sala (INFN, CERN + autori)
Fluka Scientific Committee
Ferrari, Battistoni, Carminati, Fassò, Ottolenghi, Ranft, Roesler,
Sala, Vlachoudis (INFN, CERN + autori)
Definizione nuovo tipo di licenza (Delibera INFN Giugno 2005)
Produzione nuova versione FLUKA2005.6 e rilascio sorgente
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Perchè questo tipo di attività dovrebbe continuare
E’ richiesto un continuo lavoro di sviluppo e miglioramento,
perchè:
a) la modellistica è in evoluzione
b) le necessità degli utenti sono in evoluzione
c) le richieste in termini di applicazioni crescono in numero e
in difficoltà
d) è un patrimonio INFN che va mantenuto e fatto fruttare
e) necessità di mantenere e rispettare l’Agreement INFNCERN e i commitments che ne derivano.
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Esempi di obiettivi raggiunti e attività
intraprese nel periodo 2002-2005
1. Prestazioni di fisica
2. Applicazioni in fisica fondamentale e non
3. Documentazione
4. Disseminazione
Attività molte delle quali sono comunque ancora
in corso e in continua evoluzione
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Il nuovo sviluppo di maggior rilevanza:
l’interazione Nucleo-Nucleo
motivato principalmente da:
1) esigenze di radiobiologia e radioprotezione
2) LHC
E<0.1 GeV/n: implementazione modello “BME” (Gadioli et al.)
0.1 < E < 5 GeV/n: versione ampiamente modificata e
migliorata di rQMD-2.4 (H. Sorge et al.) Relativistic QMD
model
E ≥ 5 GeV/n: DPMJET-III (R. Engel, J. Ranft and S. Roesler)
range di energia che arriva fino alle piu’ alte energie osservate ( Raggi
Cosmici: 1018-1020 eV)
Dissociazione Elettromagnetica dei nuclei: (WeizsäckerWilliams + reazioni fotonucleari)
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Benchmark Study della produzione di radionuclidi
CERN-EU High-Energy Reference Field facility (CERF)
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Aluminium Sample
Cooling Times:
(4) 25m and (5) 1h 09m, (1) 1d 16h 55m, (2) 16d 8h 56m, (3) 51d 9h 47m
very short
half-life,
thus unc.
in EOI
Isomers!
high
Exp. Error!
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LHC Cleaning Insertions
Two warm LHC insertions are
dedicated to beam cleaning
Collimation systems:
IR3: Momentum cleaning
IR7: Betatron cleaning
Allowed loss rates:
 100 kW continuously
 500 kW for 10s (1% of beam)
 1 MW for 1 s
Quench limits:
 Quadrupoles 1 mW/cm3
 Bending
5 mW/cm3
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FLUKA Geometry and LHC: IR7 Virtual Tour
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FLUKA Geometry converted to POV ray-tracing program
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CNGS: il fascio di ν dal CERN al Gran Sasso
FLUKA is the tool which has been
used to design CNGS:
both engineering and physics
The simulation includes all details
of beam transport, interaction,
structure of target, horn focusing,
decay, etc.
Neutrino event
spectra at
Gran Sasso
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Comparison with NOMAD data
(CERN-WANF) point out
νµ/νe uncertainty
down to 3 – 4 %
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L’esperimento ALICE a LHC:
FLUKA nel “Virtual Monte-Carlo”
R.Brun(1), F.Carminati(1), A.Fasso(2), E.Futo(1), A.Gheata(1,3),
M.Gheata(3), P.Hristov(1), I.Hrivnacova(4), A.Morsch(1)
1 – CERN, 2 – SLAC, 3 – ISS Bucharest, 4 – IPN O rsay
User
Code
VM
C
Input
GEANT3
VMC
GEANT4
VMC
FLUKA
VMC
GEA
NT3
GEA
NT4
FLUK
A
Particles
Hits
Output
ICARUS
FLUKA è usato da anni in ICARUS per:
full detector simulation
generazione e interazione di neutrini
atmosferici e CNGS
νµ
interazioe di neutrini solari e da
SuperNovae
studio del proton decay
fisica dei raggi cosmici underground
p
decay
µ−
π0
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Effetti Nucleari nelle interazioni di neutrino
Interazioni quasi elastiche di νµ nella camera da
50 litri di ICARUS
i
l
e
Pr
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!
y
r
a
n
i
m
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Calcolo dei flussi di secondari da raggi
cosmici in atmosfera
adroni carichi e neutri, e+e-, γ, ν, µ
ν atmosferci H.E. (work in progress)
FLUKA + DPMJET
fino to 106 TeV
di energia primaria
con T.Montaruli (now Univ. Wisconsin, Madison, USA)
e F.Cafagna (INFN Bari)
calcolo della
componente prompt
di ν e µ
dal decadimento di
particelle charmate
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Applicazioni dosimetriche: dosi in aviazione
civile Partecipazione a progetti europei: DOSMAX
Toilet or
Galley
AIRBUS 340
Wing fuel tank
Cockpit
Ferrari et al, Rad. Prot.
Dosim. 108, 91 (2004)
Business Class
Economic Class
Center fuel tank
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Hold
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Applicazioni per la “Space Radiation Protection”
Interesse NASA
FLUKA usato per la valutazione della dose
fisica e della “biological equivalent dose” da:
- Raggi cosmici galattici
-“Solar Particle Events”
Sviluppo della nuova
Geometria a Voxel
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“Human Phantom” (con GSF-Monaco)
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Galactic C.R. - role of the various spectrum
components
(example with skin behind 5 g/cm2 Al)
Skin Dose [mGy/d]
DOSE FISICA TOTALE PELLE (m Gy·d
5%
-1
) 5 g*cm -2
Skin Equivalent Dose [mSv/d]
4%
11%
60%
20%
Proton
Alpha
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3!Z!10
Monte Carlo 2005
11!Z!20
21!Z!28
A. Fassò
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FLUKA in LCG
(= LHC Computing Grid Project)
FLUGG = FLUka with Geant4 Geometry


Fluka integration: integrazione di FLUKA in un
framework comune
Physics validation: confronto simulazioni e dati
sperimentali
ATLAS pixel 2001 test beam: simulazioni Fluka e
Geant4 con la stessa geometria (via FLUGG) e analisi
dati (A. Ribon, CERN-LCGAPP-2004-09)
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Disseminazione: i corsi FLUKA
Frascati
Cern
Houston
LNGS
Prossimi appuntamenti: Pavia 2006 ?
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Documentazione e assistenza agli utenti
sito web
Archivio di discussione problemi
Esempi documentati
Release FLUKA2005.6:
•introduzione di significative
semplificazioni per l’utente (per
es.: eliminazione preprocessore
E.M.)
•introduzione di nuovi livelli di
astrazione nella preparazione
dell’input
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Yellow Report CERN +
Rapporto INFN
Rapporto SLAC
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Obiettivi Nuova Attività FLUKA-2 (2006-2009)
1) Continuazione del lavoro sulla modellistica. I goals piu importanti:
• collisioni nucleo-nucleo a bassa energia (per es. nuovo modello
QMD)
• nuove e piu’ estese librerie neutroniche (*)
• nuovo generatore per interazioni di neutrino
2) Continuazione del lavoro di sviluppo tecnico del software (tools per
utenti). In particolare:
• visualizzatore e costruttore interattivo per geometria
• tools per costruzione interattiva dell’input
• certificazione su diverse piattaforme (*)
3) Continuazione del lavoro di sviluppo di applicazioni. Settori di maggior
rilievo:
• dosimetria
• radioprotezione nello spazio (→ oltre la fase preliminare esplorativa)
• radiobiologia
• adroterapia (→ interesse CNAO)
• fisica dei raggi cosmici
• fisica delle alte energie (in particolare nel LCG)
• fisica del neutrino e fisica passiva
4) Continuazione del lavoro di diffusione, disseminazione, documentazione
• entro 2006: corso Pavia
• Nuovo Yellow Report sulla modellistica di Fisica
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Esempi di cosa si sta preparando
(in parte lavori già in corso ma non completabili
nel 2005)
1.Nuova modellistica
2.Nuovi tools
3.Nuove applicazioni
4.Ulteriore documentazione
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Modellistica: Verso il nuovo QMD (0.1-5 GeV/n)
Completamente
integrato e non
adattato in FLUKA
Sezione d’urto doppio differenziale di produzione di
neutroni per energie > 10 MeV.
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FLUKA + AutoCad
Visualizzatore geometria: area H6 al CERN
Visualizzazione eventi
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Un costruttore grafico per la geometria:
“SimpleGeo”
Basato su OpenGL
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Interfacce Grafiche ROOT-Based
Esempio di nuove applicazioni: calcoli
per il progetto CNAO per adroterapia
(M.Pelliccioni & Anna Ferrari, LNF)
Profilo dell’irradiazione dovuta
all’attivazione dell’aria in una
delle Sale Trattamento da
parte di un fascio di protoni da
250 MeV, con indicazione dei
vari contributi al rateo di
equivalente di dose efficace.
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Attività specifica della
miscela di radionuclidi
nell’aria
delle
Sale
Trattamento, durante
un trattamento con
fasci di ioni C da 400
MeV/u, in funzione del
tempo trascorso dalla
fine dell’irradiazione.
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Spettro dei neutroni secondari prodotti da ioni C da 400 MeV/u
incidenti su un fantoccio tessuto equivalente, utilizzato come
sorgente per lo studio dell’attivazione dell’aria nelle Sale
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Un caso reale al GSI (coll. con Rossendorf):
Emissione di positroni a seguito di irradiazione con fascio di C
PRELIMINARY
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W. Enghardt,F.
Fiedler,F. Sommerer
Produzione isotopi
+ trasporto e+
+ gen. e pro. fotoni
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FZ Rossendorf, TU Wien&CERN
Risorse necessarie
Hardware:
•Rinnovo e upgrade del server centrale FLUKA (inizio 2002)
•Upgrade e mantenimento delle macchine di produzione
•Accesso ad altre piattaforme (richieste degli utenti)
M.E.
•attività con il CERN
•collaborazione con Univ. Houston, NASA, SLAC, Los Alamos
•contatti con collaborazioni sperimentali: (iThemba, MIPP@Fermilab)
•Collaborazioni in Europa per applicazioni specifiche per
adroterapia (GSF-Monaco, Rossendorf)
Anche se non riguarda la CNS5:
→necessità di risorse umane
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38
30-09-2005
39
X
X
X
X
Managen
t
A ssistenz
a utenti
X
X
X
X
E.Gadioli Erba
X
E. Gadioli
X
X
X
X
M. Lantz
X
S. Muraro
X
X
X
X
X
V. Parini
X
X
X
D. A lloni
X
F. Ballarini
X
X
E. Giroletti
X
A . Mairani
X
X
X
X
A . Ottolenghi
X
X
D. Scannicchio
X
X
S. T rovati
X
X
M. Carboni
X
X
X
X
A . Mostacci
X
M. Pelliccioni
X
R. Villari30-09-2005
C omitati
INFN—C E
RN
X
X
P.R. Sala
X
X
A .Clivio
M.V. Garzelli
A ppl.
spaziali
X
A ppl.
r adiobiol
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F.Cerutti
X
A ppl.
dosimetr i
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A ppl.
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M. Campanella
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X
modellisti
ca fisica
Dissemin
azione
X
Gesr ione
web/mac
chine
Documen
tazione
X
Sviloopo
tools
soft.
Gener al
C ode
Develop.
G.Battistoni
X
X
X
X
40
Richieste finanziarie
Milano (7.8 FTE) Pavia (3.4 FTE) LNF (2.5 FTE)
2006
Inventario
2007
2008
2009
14
10
6
6
9
9
9
9
M.I.
16
16
16
16
M.E.
42
33
33
33
Totale
81
68
64
64
Consumo
2006
Milano
10.0
5.0
Missioni
Interne
9.0
Pavia
2.5
3.0
3.0
13.5
LNF
1.5
1.0
4.0
6.0
14 kEuro
9 KEuro
16.0kEuro
42kEuro
totale
30-09-2005
Invent.
Consumo
Missioni
Estere
22.5
41