geant4基礎(chǔ)學(xué)習(xí)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(jìn)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(jìn)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 oG4模擬的基本算法：A Run Start -初始化物理模型/幾何模型- An Event Start -

2、 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基礎(chǔ)知識 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

3、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)和基礎(chǔ)知識讀出方案）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,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 ExN01Detector

4、Construction.hh”#include ExN01PhysicsList.hh”#include ExN01PrimaryGeneratorAction.hhint main（）/ Construct the default run managerG4RunManager* runManager = new G4RunManager;基礎(chǔ)知識/ set mandatory initialization classesrunManager-SetUserInitialization(newExN01DetectorConstruction);runManager-SetUserInit

5、ialization(new ExN01PhysicsList);/ set mandatory user action classrunManager-SetUserAction(new ExN01PrimaryGeneratorAction);/ Initialize G4 kernelrunManager-Initialize();/ get the pointer to the UI manager and set verbositiesG4UImanager* UI = G4UImanager:GetUIpointer();UI-ApplyCommand(/run/verbose 1

6、);UI-ApplyCommand(/event/verbose 1);UI-ApplyCommand(/tracking/verbose 1);基礎(chǔ)知識/ start a runint numberOfEvent = 3;runManager-BeamOn(numberOfEvent);/ job terminationdelete 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

7、 BDetectorConstruction;runManager-SetUserInitialization(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(qiáng)制類和可選類。 其中幾何結(jié)構(gòu)類基礎(chǔ)知識(DetectorConstruction )、物理設(shè)定類(PhysicsList )、源描述類(PrimaryGenerator )都屬于強(qiáng)制類，缺少任一個程序都無法運(yùn)行。而事件處理類(EventAction

8、 )、步數(shù)據(jù)處理類( SteppingAction )、徑跡處理類 (TrackingAction )、運(yùn)行處理類(RunAction )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力口。包含強(qiáng)制類之后程序就可以運(yùn)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.基礎(chǔ)知識Geant4Run 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.Tracking 和 Track根據(jù)粒子在探測器材料

9、中的物理過程模擬粒子運(yùn)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.Geometry, Magnetic Field 和 CAD-Interface基礎(chǔ)知識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(jìn)行修改,Geant4的幾何體模型完全與ISO STEP標(biāo)準(zhǔn)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(dú)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.Particle Definition 和 Matter這兩個類用于定義粒子和探測器材料.Physics它提供了粒子與探測器材料相

10、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，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(qiáng)子物理過程模型 ， 同時也提供了散射截面數(shù)據(jù)庫.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(jìn)行采樣和分析.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(dú)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

11、VRML.基礎(chǔ)知識Interfaces支持可視化用戶界面以及和外加程序的交流(OODBMS, reconstruction User Verbose output class,定義了rerbos讓y 變量;Run manager ,定義了一個運(yùn)行管理器 runManager ；User Initialization cla sses (mandatory) , 設(shè)置兩個強(qiáng)制類ExN02DetectorConstruction 和 ExN02PhysicsList ;User Action classes ,設(shè)置用戶干涉!ExN02PrimaryGeneratorAction、ExN02RunA

12、ction 、ExN02EventAction 和 ExN02SteppingAction ；Initialize G4 kernel,runMar-ageirialize(),初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 managerU| mWS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；.構(gòu)建模型:基礎(chǔ)知識在Geant4中首先要建立一個最大的盒子

13、，稱為 World Volume ,然后往這個 大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

14、二步是將盒子擺放到正確位置，變?yōu)?Physical Volume （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(bǔ)等布爾運(yùn)算方 式 完 成，

15、布 爾 運(yùn) 算 的 方 式 請 參 考 $G4INSTALL/source/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10基礎(chǔ)知識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

16、探測器G4UserLimits* pULimits=0, / 用戶限制G4bool 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(biāo)const G4String &pName, /物理體名字G4LogicalVolume *pLogical, /對應(yīng)的邏輯體11基礎(chǔ)知識G4

17、VPhysicalVolume *pMother）; / 母體如果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(shí)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

18、具有相同 Logical Volume的物理體，同時給可以給每個 物理體分配一個編號，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(biāo)都是指的相對坐標(biāo)，是子體中心相對母體 中心的坐標(biāo)。而 World Volume 建立后就等于建立了幾何模型的絕對坐標(biāo)系。.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12基礎(chǔ)知識類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，

19、殼層 能量，還有每個原子的散射截面等.類G4Material描述了材料的宏觀屬性：密度，狀態(tài)，溫度，壓強(qiáng)，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)氮./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

20、lume(abox, lAr, Lbox, 0, 0, 0);13基礎(chǔ)知識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 = new G4Material(water, density, ncomponents=2);H2O-AddElement

21、(elH, natoms=2);H2O-AddElement(elO, natoms=1);14基礎(chǔ)知識/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(Oxygen, O, z=8., a);density = 1.290*g/cm3;G4Material* Air = new G4Material(Air, density, ncomponents=2);Air-Ad

22、dElement(elN, fractionmass=70*perCent);Air-AddElement(elO, fractionmass=30*perCent);15基礎(chǔ)知識/在/home/username/geant4.7.0/examples/novice/N03/ExN03DetectorConstruction.cc文件中介紹了所有定義材料的方法.指定粒子一般概念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:笊，alpha粒子和重離子等.夸克，D夸克和膠子.G4ParticleDefinition類提供了粒

23、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(qiáng)子(baryon)16基礎(chǔ)知識波色子(boson)短壽命粒子(shortlived)離子(ion)G4ParticleDefinition類包含了單個粒子的屬性：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

24、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：/17基礎(chǔ)知識/void ExN01PhysicsList:ConstructParticle()(G4Proton二ProtonDefinition();G4Geantino二GeantinoDefinition();/ /Geant4中預(yù)先定義的

25、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：G4BosonConstructorG4LeptonConstructorG4MesonConstructorG4BarionConstructorG4IonConstructor18基礎(chǔ)知識G4ShortlivedConstructor使用方法如下例：/void ExN04PhysicsList:ConstructLeptons()(/Construct all leptonsG4LeptonConstructor pCons

26、tructor;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(yùn)距離 為截斷值時記錄粒子位置，能量的信息.在一般的模擬程序中，用戶可以為所有 的粒子設(shè)定一個截斷值.如下：/19基礎(chǔ)知識/void ExN04PhysicsList:SetCuts()(/ the G4VUserPhysicsList:SetCutsWithDefault()methodsets/ the default cut value for all particle typesSetCutsWithDefault();/系統(tǒng)默

27、認(rèn)的截斷值為1*mm,當(dāng)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(rèn)值.如下：/ExN04PhysicsList:ExN04PhysicsList():G4VUserPhysicsList()(/ default cut value (1.0*mm)20基礎(chǔ)知識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)I特別小心.為不同粒子設(shè)定不同截斷值的例子如下：/void ExN03Ph

28、ysicsList:SetCuts()(/ set cut values for gamma at first and for e- second and next for e+,/ because some processes for e+/e- need cut values forgammaSetCutValue(defaultCutValue, gamma);21基礎(chǔ)知識SetCutValue(defaultCutValue, e-);SetCutValue(defaultCutValue, e+);/ set cut value for proton and anti_proton

29、before all other hadronsvalue for/ because some processes for hadrons need cut proto/anti_protonSetCutValue(cutForProton, proton);SetCutValue(cutForProton, anti_proton);/ set cut value for other particlesSetCutValueForOthers(defaultCutValue);/.指定物理過程22基礎(chǔ)知識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(qiáng)子和其他的反

30、應(yīng)過程.有7個物理過程大類：電磁物理過程(electromagnetic)強(qiáng)子物理過程(hadronic)輸運(yùn)過程(transportation)衰減(decay)光學(xué)過程(optical)光輕子-強(qiáng)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：AtRestDoItAlongStepDoItPostStepDoIt還有三個響應(yīng)方式：23基礎(chǔ)知識AtRestGetPhysicallnteractionLengthAlongStepGetPhysicallnterac

31、tionLengthPostStepGetPhysicallnteractionLength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G4VUserPhysicsList來調(diào)用模擬程序中的粒子以及它們的物理過程.用戶

32、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(yùn)方式如果沒有添加粒子的輸運(yùn)方式，程序就不能描述粒子在時空的輸運(yùn)，以及 不能記錄粒子輸運(yùn)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:24基礎(chǔ)知識/void G4VUserPhysicsList:AddTransportation()/ create G4TransportationG4Transportation*theTransportationProcessnewG4Transportation();/ loop

33、 over all particles in G4ParticleTable and register the/ transportation processtheParticleIterator-reset();while(*theParticleIterator)()G4ParticleDefinition*particletheParticleIterator-value();G4ProcessManager*pmanagerparticle-GetProcessManager();25基礎(chǔ)知識/ adds transportation to all particles except s

34、hortlived particlesif (!particle-IsShortLived()pmanager - AddProcess(theTransportationProcess);/ set ordering to the first for AlongStepDoItpmanager-SetProcessOrderingToFirst(theTransportationProcess,idxAlongStep);/ii)調(diào)用物理過程以ConstructProcess() 方式為G4Geantino 類調(diào)用輸運(yùn)物理過程如下：26基礎(chǔ)知識/void ExN01PhysicsList:C

35、onstructProcess()(/ Define transportation processAddTransportation();/為gamma射線添加物理過程如下：/void MyPhysicsList:ConstructProcess()(/ Define transportation processAddTransportation();27基礎(chǔ)知識/ electromagnetic processConstructEM();)void MyPhysicsList:ConstructEM()(/ Get the process manager for gammaG4Particl

36、eDefinition*particleG4Gamma:GammaDefinition();G4ProcessManager* pmanager = particle-GetProcessManager();/ Construct process for gammaG4PhotoElectricEffect* thePhotoElectricEffect= newG4PhotoElectricEffect();G4ComptonScattering* theComptonScattering= newG4ComptonScattering();G4GammaConversion* theGam

37、maConversion= newG4GammaConversion();28基礎(chǔ)知識/ Register process to gammas process managerpmanager-AddDiscreteProcess(thePhotoElectricEffect);pmanager-AddDiscreteProcess(theComptonScattering);pmanager-AddDiscreteProcess(theGammaConversion);/.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

38、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”29基礎(chǔ)知識#include G4Event.hh#include G4ParticleGun.hh#include G4ParticleTable.hh#include G4ParticleDefinition.hh#include globals.hhExN01PrimaryGeneratorAction:ExN01PrimaryGeneratorAction()G4int n_particle = 1;/設(shè)定每次事件出射粒子的數(shù)量particleTa

39、bleparticleGun = new G4ParticleGun(n_particle);G4ParticleTable*G4ParticleTable:GetParticleTable();G4String particleName;particleGun-SetParticleDefinition(particleTable-FindParticle(particleName=geantino);設(shè)定出射粒子的種類30基礎(chǔ)知識particleGun-SetParticleEnergy(1.0*GeV);/設(shè)定出射粒子的動能particleGun-SetParticlePosition(

40、G4ThreeVector(-2.0*m, 0.0, 0.0);/設(shè)定出射粒子的出射位置ExN01PrimaryGeneratorAction:ExN01PrimaryGeneratorAction()delete particleGun; void ExN01PrimaryGeneratorAction:GeneratePrimaries(G4Event* anEvent)G4int i = anEvent-GetEventID() % 3;G4ThreeVector v(1.0,0.0,0.0);switch(i)31基礎(chǔ)知識(case 0:break;v.setY(0.1);break;

41、v.setZ(0.1);break;)particleGun-SetParticleMomentumDirection(v);/設(shè)定出射粒子的方向particleGun-GeneratePrimaryVertex(anEvent);)/32基礎(chǔ)知識2) G4VPrimaryGeneratorGeant4 中有兩個 G4VPrimaryGenerator 的獨(dú)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(G4ParticleDe

42、finition*)void SetParticleMomentum(G4ParticleMomentum)void SetParticleMomentumDirection(G4ThreeVector)void SetParticleEnergy(G4doule)void SetParticleTime(G4double)void SetParticlePosition(G4ThreeVector)void SetParticlePolarization(G4ThreeVector)void SetNumberOfParticles(G4int)執(zhí)行模擬程序.命令總目錄/control/UI

43、控制命令.33基礎(chǔ)知識/units/單位./geometry/ 幾何形狀控制命令./tracking/軌跡和步長控制命令/event/事件控制命令./run/運(yùn)行控制命令./random/隨機(jī)數(shù)狀態(tài)控制命令/particle/粒子控制命令./process/物理過程控制命令./hits/靈敏區(qū)和采樣/gun/粒子源控制命令./vis/可視化命令. 一些常用命令/control/execute說明:執(zhí)行一個宏文件.34基礎(chǔ)知識/control/loop說明:多次執(zhí)行宏文件/units/list說明：列出所有存在的量綱./tracking/verbose說明：設(shè)置記錄粒子軌跡信息的級別./run/beamOn說明:開始運(yùn)行模擬程序.如果沒有初始化 G4內(nèi)核，它將自動初始化.默認(rèn) 運(yùn)行的事件數(shù)為1,第二第三個參數(shù)可以讓用戶在每次事件結(jié)束后執(zhí)行一個宏文 件.如果第二個參數(shù)(例:宏文件名)存在，