Geant4基礎(chǔ)知識

1、Geant4基礎(chǔ)知識 G4模擬粒子過程:建立一次模擬，在 G4 中稱為一次Run；Run 建立后，需要對幾何結(jié)構(gòu)、物理過程進行初始化；初始化完成后就開始模擬過程了，首先發(fā)射一個粒子。在G4 中，發(fā)射一個（或一系列）粒子到所有次級粒子死亡的過程成為一次 Event。而每次發(fā)射的初始粒子則有粒子發(fā)射器進行控制。而在每一個event過程中，粒子與材料反應(yīng)后會可能生成多個次級粒子，每個粒子都會有一條徑 跡，稱之為 track；而每一個粒子（初始的或次級的）的徑跡又是由很多步組成的，稱之為step。G4模擬的基本算法：A Run Start -> 初始化物理模型/幾何模型-> An Even

2、t Start -> 調(diào)用粒子發(fā)射器發(fā)射粒子 -> A Track Start -> A Step Start -> A Step End -> Next Step Start -> -> All Step End -> A Track End -> Next Track Start -> -> All Track End -> An Event End -> Next Event Start -> -> All Event End(All Primaries Shot) -> A Run End

3、-> Next Run Start -> 1) main()中應(yīng)該包括的內(nèi)容 Geant4是一個探測器模擬工具, 但它對于某個特定的模擬程序沒有固定的main()函數(shù), 用戶在建立模擬程序的過程中需要提供自己的main()函數(shù). 一個最基本的main()函數(shù)需要包括以下幾個方面: G4RunManager(模擬整個過程) G4VUserDetectorConstruction(定義探測器材料, 幾何形狀, 靈敏區(qū)和讀出方案) G4VUserPhysicsList(定義粒子種類和物理過程, 還有截斷參數(shù)) G4VUserPrimaryGeneratorAction(定義了源粒子的種類

4、, 能量, 出射方向等) 一個最簡單的main()函數(shù)如下:#include "G4RunManager.hh"#include "G4UImanager.hh" #include "ExN01DetectorConstruction.hh"#include "ExN01PhysicsList.hh"#include "ExN01PrimaryGeneratorAction.hh"int main() / Construct the default run manager G4RunManage

5、r* runManager = new G4RunManager; / set mandatory initialization classes runManager->SetUserInitialization(new ExN01DetectorConstruction); runManager->SetUserInitialization(new ExN01PhysicsList); / set mandatory user action class runManager->SetUserAction(new ExN01PrimaryGeneratorAction); /

6、 Initialize G4 kernel runManager->Initialize();/ get the pointer to the UI manager and set verbosities G4UImanager* UI = G4UImanager:GetUIpointer(); UI->ApplyCommand("/run/verbose 1"); UI->ApplyCommand("/event/verbose 1"); UI->ApplyCommand("/tracking/verbose 1&qu

7、ot;); / start a run int numberOfEvent = 3; runManager->BeamOn(numberOfEvent); / job termination delete runManager; return 0;main()首先生成一個 G4RunManager類，這個類是在主程序中用以初始化模擬信息，用來連接子程序，連接方式是通過 Set函數(shù)來完成。 例如：BDetectorConstruction* detector = new BDetectorConstruction; runManager->SetUserInitialization(

8、detector);先構(gòu)造一個探測器幾何，再用 SET 函數(shù)初始化。用 new申請的空間，在程序完成后需要釋放空間，否則出錯。注意：GEANT4中，在runManager上面說明的其他類會自動釋放。所以不需要一一釋放。其 他類按照重要性分為強制類和可選類。 其中幾何結(jié)構(gòu)類（DetectorConstruction）、物理設(shè)定類（PhysicsList）、源描述類（PrimaryGenerator）都 屬于強制類，缺少任一個程序都無法運行。而事件處理類（EventAction）、步數(shù)據(jù)處理類（SteppingAction）、徑跡處理類 （TrackingAction）、運行處理類（RunActi

9、on）都屬于可選類，用戶可以通過設(shè)定這些類來獲取感興趣的數(shù)據(jù)，可以按照自己的需要添 加。包含強制類之后程序就可以運行了，但只能檢驗幾何結(jié)構(gòu)的完備性，所以為了獲得數(shù)據(jù)必須設(shè)定可選類。1. Geant4的類結(jié)構(gòu) Geant4程序代碼是根據(jù)這個類結(jié)構(gòu)建立起來的, 類結(jié)構(gòu)如下圖所示. 下面就是Geant4中每個類的簡單說明. 1) Run 和 Event 這些類與模擬事件相關(guān), 產(chǎn)生次級粒子, 為粒子徑跡模擬器提供粒子. 2) Tracking 和 Track 根據(jù)粒子在探測器材料中的物理過程模擬粒子運行的軌跡, 給出粒子特定時間段在空間的位置, 或者粒子空間時間的分布.3) Geometry, Ma

10、gnetic Field 和 CAD-Interface 這三個類就是用來描述探測器幾何結(jié)構(gòu)和探測器中電磁場的分布. 為了使探測器幾何結(jié)構(gòu)可以在CAD系統(tǒng)中進行修改, Geant4的幾何體模型完全與ISO STEP標準一致. 將來Geant4中幾何結(jié)構(gòu)的設(shè)計將從程序設(shè)計中獨立出來. 面向?qū)ο笤O(shè)計的方法可以讓用戶在不影響程序其他部分的同時改變幾何參數(shù)和場. 4) Particle Definition 和 Matter 這兩個類用于定義粒子和探測器材料.5) Physics 它提供了粒子與探測器材料相互作用時所發(fā)生物理過程的模型, 允許用戶為每次反應(yīng)或每個反應(yīng)道添加物理模型. 用戶根據(jù)粒子的種類

11、, 探測器材料和能量范圍選擇不同的物理模型. Geant4有電磁物理過程和強子物理過程模型, 同時也提供了散射截面數(shù)據(jù)庫. 6) Hits 和 Digitization 這個兩個類用于對用戶定義的靈敏區(qū)內(nèi)的響應(yīng)進行采樣和分析. 7) Visualization 它顯示了探測器幾何形狀, 粒子軌跡和碰撞過程. 由于采用了面向?qū)ο笤O(shè)計技術(shù)來設(shè)計可視化部分, 這允許用戶獨立開發(fā)可視化工具, 如: OpenGL 和 OpenInventor(為X11和Windows設(shè)計), DAWN, Postscript(via DAWN)和VRML.8) Interfaces 支持可視化用戶界面以及和外加程序的交

12、流(OODBMS, reconstruction等).User Verbose output class，定義了一個verbosity 變量； Run manager，定義了一個運行管理器runManager； User Initialization classes (mandatory)，設(shè)置兩個強制類 ExN02DetectorConstruction 和ExN02PhysicsList；User Action classes，設(shè)置用戶干涉類 ExN02PrimaryGeneratorAction、ExN02RunAction、 ExN02EventAction和 ExN02Steppin

13、gAction； Initialize G4 kernel，“runManager->Initialize()”，初始化GEANT4 內(nèi)核。構(gòu)造探測器，生成物理過程，計算截面以及其他； Get the pointer to the User Interface manager，獲取 UI管理器的指針； batch mode，定義了批處理模式； interactive mode : define visualization and UI terminal； 定義了交互模式的可視化和UI終端；2.構(gòu)建模型：在Geant4 中首先要建立一個最大的盒子，稱為World Volume，然后往這個大

14、盒子里面放各種各樣的小盒子（部件），然后每個小盒子 （部件） 里面還可以放更小的盒子 （零件） ， 放入的小盒子將自動代替大盒子原有部分。在 Geant4中，將大盒子稱為 Mother Volume （母體），小盒子稱為 Daughter Volume （子體）。除了World Volume之外，每個 Volume（體）都必須且只能有一個母體，但可以沒有子體，也可以有多個子體。Geant4 的這種盒子模型的要求是：“不交不超”。Geant4 中每個這樣的盒子的安放又分為兩步。第一步是構(gòu)建盒子，稱為 Logical Volume（邏輯體）；第二步是將盒子擺放到正確位置，變?yōu)?Physical V

15、olume（物理體）。 構(gòu) 建盒子又分為兩步，第一步是確定盒子形狀，第二步是確定盒子的材料等屬性。 形狀在Geant4 中被稱為 Solid。在 Geant4 中提供了多種固有的形狀，如球形、長方體、錐體等，可以在$G4INSTALL/source/geometry/solids 里面查找。 用戶也可以通過 G4VSolid類構(gòu)建自己的形狀，參見：$G4INSTALL/source/geometry/management/include /G4VSolid.hh。 此外，對于一些復(fù)雜的形狀，用戶也可以利用基本形狀通過交并補等布爾運算方式完成，布爾運算的方式請參考$G4INSTALL/sourc

16、e/geometry/solids/Boolean。確定了盒子形狀后，就是設(shè)置盒子的材料、磁場等屬性。這些屬性的設(shè)置通過G4LogicalVolume類來完成，設(shè)置方法如下：G4LogicalVolume(G4VSolid* pSolid, /形狀 G4Material* pMaterial, /材料 const G4String& name, /邏輯體名字 G4FieldManager* pFieldMgr=0, /場管理 G4VSensitiveDetector* pSDetector=0, /是否 SD 探測器 G4UserLimits* pULimits=0, /用戶限制 G4

17、bool optimise=true); /是否優(yōu)化 盒子造完了就該擺放盒子了。擺放盒子也有兩種方法，一種是直接構(gòu)建物理體，另一種是指定擺放方法。直接構(gòu)建物理體是通過 G4VPhysicalVolume 類，其定義方法如下： G4VPhysicalVolume(G4RotationMatrix *pRot, /旋轉(zhuǎn)方式 const G4ThreeVector &tlate, /擺放坐標 const G4String &pName, /物理體名字 G4LogicalVolume *pLogical, /對應(yīng)的邏輯體 G4VPhysicalVolume *pMother); /母體

18、 如果 pMother=0就表明這個體是一個World Volume，World Volume 必須且只能有一個。 在實際應(yīng)用中，我們通常采用指定擺放方法的方式來完成物理體的構(gòu)建。 指定擺放方法是通過G4PVPlacement 類完成。G4PVPlacement類是 G4VPhysicalVolume 的派生類，該類提供了多種方法描述Logical Volume的擺放方法。具體可以參考：$G4INSTALL/source /geometry/volumes/include /G4PVPlacement.hh。用這種方法可以建立具有相同Logical Volume 的物理體，同時給可以給每個物理

19、體分配一個編號，以便區(qū)分具有相同Logical Volume的物理體。這些編號在 UserSteppingAction 等類中處理數(shù)據(jù)時有時會非常有用處。 需要注意的是，在Geant4中擺放坐標都是指的相對坐標，是子體中心相對母體中心的坐標。而World Volume 建立后就等于建立了幾何模型的絕對坐標系。3. 定義材料 1) 基本概念 自然界中, 材料(化合物, 混合物)一般是由元素組成, 而元素由同位素組成. Geant4中有三個類用來定義探測器材料的. 類G4Element描述了原子屬性:原子量, 原子核中質(zhì)子數(shù), 原子質(zhì)量, 殼層能量, 還有每個原子的散射截面等. 類G4Materi

20、al描述了材料的宏觀屬性:密度, 狀態(tài), 溫度, 壓強, 還有輻射長度, 平均自由程, dE/dx等.2) 定義單質(zhì)材料 如下例, 給出材料名稱, 密度, 摩爾質(zhì)量和原子量, 定義了液態(tài)氬./ G4double density = 1.390*g/cm3; G4double a = 39.95*g/mole; G4Material* lAr = new G4Material(name="liquidArgon", z=18., a, density);/這就可以用來確定所定義的邏輯塊的材料: G4LogicalVolume* myLbox = new G4LogicalVo

21、lume(abox, lAr, "Lbox", 0, 0, 0); 3) 定義化合物 如例, 定義水(H2O):/a = 1.01*g/mole; G4Element* elH = new G4Element(name="Hydrogen", symbol="H", z=1, a); a = 16.00*g/mole; G4Element* elO = new G4Element("Oxygen", "O", z=8, a); density=1.0*g/cm3; G4Material* H2O

22、 = new G4Material("water", density, ncomponents=2); H2O->AddElement(elH, natoms=2); H2O->AddElement(elO, natoms=1);/4) 定義混合物 如例, 定義空氣(Air):/ a = 14.01*g/mole;G4Element* elN = new G4Element("Nitrogen", "N", z=7, a); a = 16.0*g/mole; G4Element* elO = new G4Element(&

23、quot;Oxygen", "O", z=8., a); density = 1.290*g/cm3; G4Material* Air = new G4Material("Air", density, ncomponents=2); Air->AddElement(elN, fractionmass=70*perCent); Air->AddElement(elO, fractionmass=30*perCent);/ 在/home/username/geant4.7.0/examples/novice/N03/ExN03Detec

24、torConstruction.cc文件中介紹了所有定義材料的方法.4. 指定粒子 1) 一般概念 Geant4能夠模擬多種粒子. 基本粒子:電子, 質(zhì)子, 和gamma等. 短壽命的共振粒子:媒質(zhì)介子和delta重子. 核子:氘, alpha粒子和重離子等. 夸克, D夸克和膠子. G4ParticleDefinition類提供了粒子的定義, 而且每種粒子都有自己的類. 粒子主要分為6個大類: 輕子(lepton) 介子(meson) 強子(baryon) 波色子(boson) 短壽命粒子(shortlived) 離子(ion) G4ParticleDefinition類包含了單個粒子的屬性

25、:名稱, 質(zhì)量, 帶電電荷, 自旋等. 其中大部分的屬性都不可修改, 除非重新建立庫. Geant4定義了上百種粒子用于不同的物理過程, 在一般應(yīng)用中, 用戶不需要自己定義粒子. 粒子在連接的過程中注冊啟用了, 用戶不須要(也不能)自行執(zhí)行注冊粒子.2) 指定粒子和物理過程 G4VUserPhysicsList類讓用戶可以指定粒子以及它們的物理過程, 用戶還可以指定截斷參數(shù). 一個用戶從G4VUserPhysicsList中創(chuàng)建自己的類要利用以下幾個步驟: ConstructParticle(): 調(diào)用粒子ConstructPhysics(): 調(diào)用粒子的物理過程 SetCuts(): 設(shè)置粒

26、子的截斷值 用戶利用ConstructParticle()來調(diào)用所需要的粒子的函數(shù), 如用戶需要質(zhì)子和geantino, 代碼如下:/ void ExN01PhysicsList:ConstructParticle() G4Proton:ProtonDefinition(); G4Geantino:GeantinoDefinition(); / Geant4中預(yù)先定義的粒子有100多個, 用戶不可能用這種方法來調(diào)用每一個粒子的函數(shù), Geant4中有一些類可以讓用戶調(diào)用一類粒子, 相對于6個粒子大類, 總共有6個類來調(diào)用這批粒子.他們是: G4BosonConstructor G4Lepton

27、Constructor G4MesonConstructor G4BarionConstructor G4IonConstructor G4ShortlivedConstructor使用方法如下例:/ void ExN04PhysicsList:ConstructLeptons() /Construct all leptons G4LeptonConstructor pConstructor; pConstructor.ConstructorParticle(); /3) 設(shè)定截斷值 用戶必須為每個粒子設(shè)定截斷值, 所謂截斷值, 就是程序在粒子輸運距離為截斷值時記錄粒子位置, 能量的信息. 在

28、一般的模擬程序中, 用戶可以為所有的粒子設(shè)定一個截斷值. 如下:/ void ExN04PhysicsList:SetCuts() / the G4VUserPhysicsList:SetCutsWithDefault() method sets/ the default cut value for all particle types SetCutsWithDefault(); / 系統(tǒng)默認的截斷值為1*mm, 當然用戶可以為自己調(diào)用的粒子和物理過程設(shè)定不用的默認值.如下:/ ExN04PhysicsList:ExN04PhysicsList(): G4VUserPhysicsList()

29、/ default cut value (1.0*mm) defaultCutValue = 1*mm; /用戶可以為gamma射線, 電子, 正電子, 或者為不用的幾何區(qū)域設(shè)定不同的截斷值. 這種情況下, 由于Geant4的物理過程(特別是計算能量損失的物理過程)是根據(jù)特定的截斷值編寫的, 它們輸出就會改變, 所以用戶應(yīng)該特別小心. 為不同粒子設(shè)定不同截斷值的例子如下:/ void ExN03PhysicsList:SetCuts() / set cut values for gamma at first and for e- second and next for e+, / becaus

30、e some processes for e+/e- need cut values for gamma SetCutValue(defaultCutValue, "gamma"); SetCutValue(defaultCutValue, "e-"); SetCutValue(defaultCutValue, "e+"); / set cut value for proton and anti_proton before all other hadrons / because some processes for hadrons n

31、eed cut value for proto/anti_proton SetCutValue(cutForProton, "proton"); SetCutValue(cutForProton, "anti_proton"); / set cut value for other particles SetCutValueForOthers(defaultCutValue); /5. 指定物理過程 1) 物理過程 物理過程描述了粒子與材料的相互作用. Geant4中提供了電磁, 強子和其他的反應(yīng)過程. 有7 個物理過程大類:電磁物理過程(electrom

32、agnetic) 強子物理過程(hadronic) 輸運過程(transportation) 衰減(decay) 光學過程(optical) 光輕子-強子過程(photolepton_hadron) 參數(shù)化過程(parameterisation)G4VProcess是最基本的物理過程的類, 每一個物理過程有三個"DoIt"方式來描述: AtRestDoIt AlongStepDoIt PostStepDoIt還有三個響應(yīng)方式: AtRestGetPhysicalInteractionLength AlongStepGetPhysicalInteractionLength P

33、ostStepGetPhysicalInteractionLength下面給出了用于單個物理過程的基本的類: G4VAtRestProcess (僅適合于"AtRestDoIt"方式的物理過程) G4VContinuousProcess (僅適合于"AlongStepDoIt"方式的物理過程) G4VDiscreteProcess (僅適合于"PostStepDoIt"方式的物理過程)另外4個類(如G4VContinuousDiscreteProcess)用于復(fù)雜的物理過程. 2) 指定物理過程 用戶通過G4VUserPhysicsL

34、ist來調(diào)用模擬程序中的粒子以及它們的物理過程. 用戶通過ConstructPhysics()方式利用G4VUserPhysicsList為每一個所調(diào)用的粒子創(chuàng)建自己的物理過程類.i) 添加輸運方式 如果沒有添加粒子的輸運方式, 程序就不能描述粒子在時空的輸運, 以及不能記錄粒子輸運過程中的軌跡, 所以用戶就必須為所有的粒子調(diào)用G4Transportation. 如下:/ void G4VUserPhysicsList:AddTransportation() / create G4Transportation G4Transportation* theTransportationProcess

35、 = new G4Transportation(); / loop over all particles in G4ParticleTable and register the / transportation processtheParticleIterator->reset(); while(*theParticleIterator)() G4ParticleDefinition* particle = theParticleIterator->value(); G4ProcessManager* pmanager = particle->GetProcessManage

36、r(); / adds transportation to all particles except shortlived particles if (!particle->IsShortLived() pmanager -> AddProcess(theTransportationProcess); / set ordering to the first for AlongStepDoIt pmanager -> SetProcessOrderingToFirst(theTransportationProcess, idxAlongStep); / ii) 調(diào)用物理過程 以

37、ConstructProcess()方式為G4Geantino類調(diào)用輸運物理過程如下:/ void ExN01PhysicsList:ConstructProcess() / Define transportation process AddTransportation(); / 為gamma射線添加物理過程如下:/void MyPhysicsList:ConstructProcess() / Define transportation process AddTransportation(); / electromagnetic process ConstructEM(); void MyPh

38、ysicsList:ConstructEM() / Get the process manager for gamma G4ParticleDefinition* particle = G4Gamma:GammaDefinition();G4ProcessManager* pmanager = particle->GetProcessManager(); / Construct process for gamma G4PhotoElectricEffect * thePhotoElectricEffect = new G4PhotoElectricEffect(); G4ComptonS

39、cattering * theComptonScattering = new G4ComptonScattering(); G4GammaConversion * theGammaConversion = new G4GammaConversion(); / Register process to gamma's process manager pmanager->AddDiscreteProcess(thePhotoElectricEffect); pmanager->AddDiscreteProcess(theComptonScattering); pmanager-&

40、gt;AddDiscreteProcess(theGammaConversion); /6. 產(chǎn)生初始事件 1) 初始事件 G4VUserPrimaryGeneratorAcrion可以讓用戶創(chuàng)建自己的初始事件類. 用戶提供初始事件的狀態(tài), 如: 出射粒子的種類, 出射能量, 方向等. 如下:/ #include "ExN01PrimaryGeneratorAction.hh" #include "G4Event.hh" #include "G4ParticleGun.hh" #include "G4ParticleTabl

41、e.hh" #include "G4ParticleDefinition.hh" #include "globals.hh"ExN01PrimaryGeneratorAction:ExN01PrimaryGeneratorAction() G4int n_particle = 1;/設(shè)定每次事件出射粒子的數(shù)量 particleGun = new G4ParticleGun(n_particle); G4ParticleTable* particleTable = G4ParticleTable:GetParticleTable(); G4Str

42、ing particleName; particleGun->SetParticleDefinition(particleTable->FindParticle(particleName="geantino");/設(shè)定出射粒子的種類 particleGun->SetParticleEnergy(1.0*GeV);/設(shè)定出射粒子的動能particleGun->SetParticlePosition(G4ThreeVector(-2.0*m, 0.0, 0.0);/設(shè)定出射粒子的出射位置 ExN01PrimaryGeneratorAction:ExN01

43、PrimaryGeneratorAction() delete particleGun; void ExN01PrimaryGeneratorAction:GeneratePrimaries(G4Event* anEvent) G4int i = anEvent->GetEventID() % 3; G4ThreeVector v(1.0,0.0,0.0); switch(i) case 0: break; case 1: v.setY(0.1); break; case 2: v.setZ(0.1); break; particleGun->SetParticleMomentum

44、Direction(v);/設(shè)定出射粒子的方向 particleGun->GeneratePrimaryVertex(anEvent); / 2) G4VPrimaryGenerator Geant4中有兩個G4VPrimaryGenerator的獨立的類, 一個是G4ParticleGun, 另一個是G4HEPEvtInterface. G4ParicleGun用來給用戶確定出射粒子的動能和位置. 方式如下: void SetParticleDefinition(G4ParticleDefinition*) void SetParticleMomentum(G4ParticleMomentum) void SetParticleMomentumDirection(G4ThreeVector) void SetParticleEnergy(G4doule) void SetParticleTime(G4d