Geant4基础知识.docx

1、Geant4基础知识Geant4基础知识 G4模拟粒子过程:建立一次模拟，在 G4 中称为一次Run；Run 建立后，需要对几何结构、物理过程进行初始化；初始化完成后就开始模拟过程了，首先发射一个粒子。在G4 中，发射一个（或一系列）粒子到所有次级粒子死亡的过程成为一次 Event。而每次发射的初始粒子则有粒子发射器进行控制。而在每一个event过程中，粒子与材料反应后会可能生成多个次级粒子，每个粒子都会有一条径 迹，称之为 track；而每一个粒子（初始的或次级的）的径迹又是由很多步组成的，称之为step。G4模拟的基本算法：A Run Start - 初始化物理模型/几何模型- An Ev

2、ent Start - 调用粒子发射器发射粒子 - 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 - Next Run Start - 1) main()中应该包括的内容 Geant4是一个探测器模拟工具, 但它对于某个特

3、定的模拟程序没有固定的main()函数, 用户在建立模拟程序的过程中需要提供自己的main()函数. 一个最基本的main()函数需要包括以下几个方面: G4RunManager(模拟整个过程) G4VUserDetectorConstruction(定义探测器材料, 几何形状, 灵敏区和读出方案) G4VUserPhysicsList(定义粒子种类和物理过程, 还有截断参数) G4VUserPrimaryGeneratorAction(定义了源粒子的种类, 能量, 出射方向等) 一个最简单的main()函数如下:#include #include #include #include #inc

4、lude int main() Geant4的类结构 Geant4程序代码是根据这个类结构建立起来的, 类结构如下图所示. 下面就是Geant4中每个类的简单说明. 1) Run 和 Event 这些类与模拟事件相关, 产生次级粒子, 为粒子径迹模拟器提供粒子. 2) Tracking 和 Track 根据粒子在探测器材料中的物理过程模拟粒子运行的轨迹, 给出粒子特定时间段在空间的位置, 或者粒子空间时间的分布.3) Geometry, Magnetic Field 和 CAD-Interface 这三个类就是用来描述探测器几何结构和探测器中电磁场的分布. 为了使探测器几何结构可以在CAD系统

5、中进行修改, Geant4的几何体模型完全与ISO STEP标准一致. 将来Geant4中几何结构的设计将从程序设计中独立出来. 面向对象设计的方法可以让用户在不影响程序其他部分的同时改变几何参数和场. 4) Particle Definition 和 Matter 这两个类用于定义粒子和探测器材料.5) Physics 它提供了粒子与探测器材料相互作用时所发生物理过程的模型, 允许用户为每次反应或每个反应道添加物理模型. 用户根据粒子的种类, 探测器材料和能量范围选择不同的物理模型. Geant4有电磁物理过程和强子物理过程模型, 同时也提供了散射截面数据库. 6) Hits 和 Digit

6、ization 这个两个类用于对用户定义的灵敏区内的响应进行采样和分析. 7) Visualization 它显示了探测器几何形状, 粒子轨迹和碰撞过程. 由于采用了面向对象设计技术来设计可视化部分, 这允许用户独立开发可视化工具, 如: OpenGL 和 OpenInventor(为X11和Windows设计), DAWN, Postscript(via DAWN)和VRML.8) Interfaces 支持可视化用户界面以及和外加程序的交流(OODBMS, reconstruction等).User Verbose output class，定义了一个verbosity 变量； Run m

7、anager，定义了一个运行管理器runManager； User Initialization classes (mandatory)，设置两个强制类 ExN02DetectorConstruction 和ExN02PhysicsList；User Action classes，设置用户干涉类 ExN02PrimaryGeneratorAction、ExN02RunAction、 ExN02EventAction和 ExN02SteppingAction； Initialize G4 kernel，“runManager-Initialize()”，初始化GEANT4 内核。构造探测器，生成

8、物理过程，计算截面以及其他； Get the pointer to the User Interface manager，获取 UI管理器的指针； batch mode，定义了批处理模式； interactive mode : define visualization and UI terminal； 定义了交互模式的可视化和UI终端；2.构建模型：在Geant4 中首先要建立一个最大的盒子，称为World Volume，然后往这个大盒子里面放各种各样的小盒子（部件），然后每个小盒子 （部件） 里面还可以放更小的盒子 （零件） ， 放入的小盒子将自动代替大盒子原有部分。在 Geant4中，将大

9、盒子称为 Mother Volume （母体），小盒子称为 Daughter Volume （子体）。除了World Volume之外，每个 Volume（体）都必须且只能有一个母体，但可以没有子体，也可以有多个子体。Geant4 的这种盒子模型的要求是：“不交不超”。Geant4 中每个这样的盒子的安放又分为两步。第一步是构建盒子，称为 Logical Volume（逻辑体）；第二步是将盒子摆放到正确位置，变为 Physical Volume（物理体）。 构 建盒子又分为两步，第一步是确定盒子形状，第二步是确定盒子的材料等属性。 形状在Geant4 中被称为 Solid。在 Geant4 中

10、提供了多种固有的形状，如球形、长方体、锥体等，可以在$G4INSTALL/source/geometry/solids 里面查找。 用户也可以通过 G4VSolid类构建自己的形状，参见：$G4INSTALL/source/geometry/management/include /。 此外，对于一些复杂的形状，用户也可以利用基本形状通过交并补等布尔运算方式完成，布尔运算的方式请参考$G4INSTALL/source/geometry/solids/Boolean。确定了盒子形状后，就是设置盒子的材料、磁场等属性。这些属性的设置通过G4LogicalVolume类来完成，设置方法如下：G4Log

11、icalVolume(G4VSolid* pSolid, 定义材料 1) 基本概念 自然界中, 材料(化合物, 混合物)一般是由元素组成, 而元素由同位素组成. Geant4中有三个类用来定义探测器材料的. 类G4Element描述了原子属性:原子量, 原子核中质子数, 原子质量, 壳层能量, 还有每个原子的散射截面等. 类G4Material描述了材料的宏观属性:密度, 状态, 温度, 压强, 还有辐射长度, 平均自由程, dE/dx等.2) 定义单质材料 如下例, 给出材料名称, 密度, 摩尔质量和原子量, 定义了液态氩. a, density); a); density = *g/cm3

12、; G4Material* Air = new G4Material(Air, density, ncomponents=2); Air-AddElement(elN, fractionmass=70*perCent); Air-AddElement(elO, fractionmass=30*perCent);4. 指定粒子 1) 一般概念 Geant4能够模拟多种粒子. 基本粒子:电子, 质子, 和gamma等. 短寿命的共振粒子:媒质介子和delta重子. 核子:氘, alpha粒子和重离子等. 夸克, D夸克和胶子. G4ParticleDefinition类提供了粒子的定义, 而且每种

13、粒子都有自己的类. 粒子主要分为6个大类: 轻子(lepton) 介子(meson) 强子(baryon) 波色子(boson) 短寿命粒子(shortlived) 离子(ion) G4ParticleDefinition类包含了单个粒子的属性:名称, 质量, 带电电荷, 自旋等. 其中大部分的属性都不可修改, 除非重新建立库. Geant4定义了上百种粒子用于不同的物理过程, 在一般应用中, 用户不需要自己定义粒子. 粒子在连接的过程中注册启用了, 用户不须要(也不能)自行执行注册粒子.2) 指定粒子和物理过程 G4VUserPhysicsList类让用户可以指定粒子以及它们的物理过程, 用

14、户还可以指定截断参数. 一个用户从G4VUserPhysicsList中创建自己的类要利用以下几个步骤: ConstructParticle(): 调用粒子ConstructPhysics(): 调用粒子的物理过程 SetCuts(): 设置粒子的截断值 用户利用ConstructParticle()来调用所需要的粒子的函数, 如用户需要质子和geantino, 代码如下:们是: G4BosonConstructor G4LeptonConstructor G4MesonConstructor G4BarionConstructor G4IonConstructor G4ShortlivedC

15、onstructor使用方法如下例:在一般的模拟程序中, 用户可以为所有的粒子设定一个截断值. 如下:下:这种情况下, 由于Geant4的物理过程(特别是计算能量损失的物理过程)是根据特定的截断值编写的, 它们输出就会改变, 所以用户应该特别小心. 为不同粒子设定不同截断值的例子如下:指定物理过程 1) 物理过程 物理过程描述了粒子与材料的相互作用. Geant4中提供了电磁, 强子和其他的反应过程. 有7 个物理过程大类:电磁物理过程(electromagnetic) 强子物理过程(hadronic) 输运过程(transportation) 衰减(decay) 光学过程(optical)

16、光轻子-强子过程(photolepton_hadron) 参数化过程(parameterisation)G4VProcess是最基本的物理过程的类, 每一个物理过程有三个DoIt方式来描述: AtRestDoIt AlongStepDoIt PostStepDoIt还有三个响应方式: AtRestGetPhysicalInteractionLength AlongStepGetPhysicalInteractionLength PostStepGetPhysicalInteractionLength下面给出了用于单个物理过程的基本的类: G4VAtRestProcess (仅适合于AtRest

17、DoIt方式的物理过程) G4VContinuousProcess (仅适合于AlongStepDoIt方式的物理过程) G4VDiscreteProcess (仅适合于PostStepDoIt方式的物理过程)另外4个类(如G4VContinuousDiscreteProcess)用于复杂的物理过程. 2) 指定物理过程 用户通过G4VUserPhysicsList来调用模拟程序中的粒子以及它们的物理过程. 用户通过ConstructPhysics()方式利用G4VUserPhysicsList为每一个所调用的粒子创建自己的物理过程类.i) 添加输运方式 如果没有添加粒子的输运方式, 程序就不

18、能描述粒子在时空的输运, 以及不能记录粒子输运过程中的轨迹, 所以用户就必须为所有的粒子调用G4Transportation. 如下:产生初始事件 1) 初始事件 G4VUserPrimaryGeneratorAcrion可以让用户创建自己的初始事件类. 用户提供初始事件的状态, 如: 出射粒子的种类, 出射能量, 方向等. 如下:G4ParicleGun用来给用户确定出射粒子的动能和位置. 方式如下: void SetParticleDefinition(G4ParticleDefinition*) void SetParticleMomentum(G4ParticleMomentum) v

19、oid SetParticleMomentumDirection(G4ThreeVector) void SetParticleEnergy(G4doule) void SetParticleTime(G4double) void SetParticlePosition(G4ThreeVector)void SetParticlePolarization(G4ThreeVector) void SetNumberOfParticles(G4int)执行模拟程序 1. 命令总目录 /control/ UI 控制命令. /units/ 单位. /geometry/ 几何形状控制命令. /track

20、ing/ 轨迹和步长控制命令. /event/ 事件控制命令. /run/ 运行控制命令. /random/ 随机数状态控制命令. /particle/ 粒子控制命令. /process/ 物理过程控制命令. /hits/ 灵敏区和采样 /gun/ 粒子源控制命令. /vis/ 可视化命令.2. 一些常用命令 1) /control/execute 说明:执行一个宏文件. 2) /control/loop 说明:多次执行宏文件 3) /units/list 说明: 列出所有存在的量纲. 4) /tracking/verbose 说明: 设置记录粒子轨迹信息的级别. 5) /run/beamOn

21、 说明:开始运行模拟程序.如果没有初始化G4内核, 它将自动初始化. 默认运行的事件数为1, 第二第三个参数可以让用户在每次事件结束后执行一个宏文件. 如果第二个参数(例:宏文件名)存在, 但第三个参数不存在, 这样所有的事件都是执行这个宏文件. 6) /process/list 说明: 列出所有的物理过程名称.7) /process/activate(inactivate) 说明: 激活(停止)物理过程, 激活(停止)粒子运行. name: 物理过程或类型的名称. particle: 粒子名称 all: 所有的粒子 8) /hits/list说明: 列出灵敏区. 9) /gun/partic

22、le 说明: 源粒子设置.(默认为geantino) (出射离子) 10) /gun/energy 说明: 设定出射粒子的动能. 11) /gun/number 说明: 设置出射粒子的个数. 12) /vis/open 说明:/vis/open 在画图系统建立一个面, 该面的名称自动给出.第二个参数给出窗口大小. 13) /vis/scene/create 说明: /vis/scene/create 创建一个当前使用的空的作图面.14) /vis/scene/add/axes 说明: /vis/scene/add/axes 默认值: 0 0 0 1 m 在(x0, y0, z0)画出给定长度的

23、坐标轴. 15) /vis/scene/add/hits 说明: 在作图面上添加碰撞. 16) /vis/scene/add/trajectories 说明: /vis/scene/add/trajectories drawing-mode在作图面上添加粒子轨迹. 17) /vis/scene/add/volume 说明: /vis/scene/add/volume 在作图面上添加物理块. 参数1: 几何块名称 (默认 world). 参数2: 拷贝数 (默认 -1). 如果是负值, 选择第一个物理块 参数3: 下一级的深度 (默认: G4Scene:UNLIMITED (-1). 18) /

24、vis/scene/endOfEventAction 说明: /vis/scene/endOfEventAction accumulate|refresh 参数1: 下一次事件的轨迹图直接画在上一次事件结束时的图上 参数2: 刷新后画出当前事件轨迹图 19) /vis/viewer/create 说明: /vis/viewer/create 为指定的作图面设置观察面, 默认为当前的作图面.20) /vis/viewer/flush 说明: /vis/viewer/flush 是 /vis/viewer/refresh + /vis/viewer/update 的复合命令.用来刷新和初始化作 图

25、系统.用/vis/viewer/list命令显示的名称来指定观察面.21) /vis/viewer/refresh说明: /vis/viewer/refresh 刷新观察面, 使用当前观察面, 可以刷新/vis/viewer/list命令列出的观察面. 22) /vis/viewer/zoom 说明: /vis/viewer/zoom 把观察对象放大多少倍. 23) /vis/viewer/zoomTo 说明: /vis/viewer/zoomTo 把观察对像放大到多少倍. 24) /vis/viewer/set/style 说明:/vis/viewer/set/style wireframe|surface 25) /vis/viewer/set/viewpointThetaPhi 说明: /vis/viewer/set/viewpointThetaPhi deg|rad设定观察方向. 26) /vis/viewer/set/viewpointVector 说明: /vis/viewer/set/viewpointVector 设定观察方向.