粒子物理及核物理實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)分析課件

粒子物理與核物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析楊振偉清華大學(xué)第六講:Geant4的探測(cè)器模擬介紹(1)2023/8/91粒子物理與核物理實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析楊振偉2023/8/11本講要點(diǎn)Geant4簡(jiǎn)介一般介紹和歷史基本概念和內(nèi)核重要的用戶類如何安裝Geant4如何使用Geant4

(探測(cè)器幾何與材料)2023/8/92本講要點(diǎn)Geant4簡(jiǎn)介2023/8/12數(shù)據(jù)分析為什么需要模擬信息？探測(cè)器數(shù)據(jù)重建物理分析模擬Geant4發(fā)現(xiàn)

n發(fā)現(xiàn)1刻度寫成root或

zbs等格式把電學(xué)量變?yōu)槲锢砹坎⒆龈鞣N刻度與修正。把分立測(cè)量聯(lián)系起來給出四動(dòng)量等問題在于我們?nèi)绾沃浪龅墓ぷ魇钦_的？2023/8/93數(shù)據(jù)分析為什么需要模擬信息？探測(cè)器數(shù)據(jù)重建物理模擬發(fā)現(xiàn)n發(fā)模擬需要做的主要工作

定義探測(cè)器幾何(具有有限接受范圍的探測(cè)器)

指定探測(cè)器的物質(zhì)(有用的/沒用的各種材料)

指定物理過程與粒子(什么東西在探測(cè)器中干了什么)

產(chǎn)生原始事例(模擬重復(fù)實(shí)驗(yàn)n次)

數(shù)據(jù)收集和分析(取出探測(cè)器可以獲得的信息并處理分析)除了最后的分析，其它部分都可以由Geant4負(fù)責(zé)處理2023/8/94模擬需要做的主要工作定義探測(cè)器幾何(具有有限接受范圍的探其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：高能物理、核物理、加速器物理以及醫(yī)學(xué)和空間科學(xué)的研究等。什么是

Geant4?簡(jiǎn)單地說，Geant4

是模擬粒子穿過物質(zhì)的工具包。提供了探測(cè)器模擬的完整工具：幾何，探測(cè)器響應(yīng)，運(yùn)行、事例以及徑跡管理、圖形顯示、用戶接口等。提供了極為豐富的可供選擇的物理過程

詳見http://geant4.cern.ch/support/about.shtml

參考資料1)http://geant4.cern.ch2)NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearch

A506(2003)250-303,andIEEETransactionsonNuclearScience

53No.1(2006)270-278.

最新版為9.1版，于2008年2月5日發(fā)布2023/8/95其應(yīng)用領(lǐng)域主要包括：高能物理、核物理、加速器物理以及醫(yī)學(xué)和空Geant4的特點(diǎn)?Geant4發(fā)展于Geant3,充分利用了C++語言中的優(yōu)勢(shì)，是粒子與核物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M最好的工具之一。

免費(fèi)下載，更新迅速Geant4是最早成功使用面向?qū)ο蟓h(huán)境重新設(shè)計(jì)的粒子與核物理軟件包，并應(yīng)用于新一代實(shí)驗(yàn)?？紤]了各個(gè)方面的需求，包括重離子物理、電荷與宇稱破缺物理、宇宙線物理、天體物理、空間科學(xué)以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用等。為了滿足這些需求，提供了強(qiáng)大的功能和靈活性。Geant4

的應(yīng)用遠(yuǎn)不止于粒子與核物理。2023/8/96Geant4的特點(diǎn)?Geant4發(fā)展于Geant3,充分Geant4的基本概念與內(nèi)核Geant4ReadoutVisualizationPersistencyRunEventInterfacesTrackingDigits+HitsProcessesTrackGeometryParticleGraphic_repsMaterialIntercomsGlobalGeant4

包含17大類每一大類都有專門獨(dú)立的研發(fā)工作小組負(fù)責(zé)。各大類之間的界面(例如頂層的設(shè)計(jì))由整體結(jié)構(gòu)工作小組來維護(hù)。Geant4

的內(nèi)核處理運(yùn)行號(hào)，事例，跡，步，擊中，運(yùn)動(dòng)軌跡。提供幾何表示和物理過程的架構(gòu)。2023/8/97Geant4的基本概念與內(nèi)核Geant4ReadoutViGeant4軟件包中的內(nèi)容代碼~1百萬行語句網(wǎng)上可以自由下載還在不斷的增加與更新相關(guān)文件說明6份使用工具書網(wǎng)上可以自由下載應(yīng)用例子與軟件包一起附送可以參照工具書自由運(yùn)行例子程序包含了從簡(jiǎn)單到較復(fù)雜各種模擬程序平臺(tái)Linux,MacOSX,SUNWindows/XP需要預(yù)安裝的軟件C++編譯器如g++,VC++等CLHEP庫GNUMake,shell圖像與用戶界面XWindowsOpenGL或MesaGLDAWN...至少需要其中的一個(gè)2023/8/98Geant4軟件包中的內(nèi)容代碼平臺(tái)2023/8/18安裝Geant4(概要)1)建議使用SLC3/4操作系統(tǒng)，支持和兼容性好，在SLC上安裝非常簡(jiǎn)單。以下默認(rèn)在SLC上工作。2)下載安裝CLHEP程序包(這是唯一需要預(yù)安裝的程序)3)下載Geant4軟件包以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件(用于各種物理模型)，按照安裝手冊(cè)進(jìn)行編譯安裝如果系統(tǒng)版本相同(內(nèi)核版本和g++版本)，把已經(jīng)編譯好的程序直接復(fù)制到其它機(jī)器上即可使用。比如，對(duì)SLC3系統(tǒng)，直接復(fù)制training服務(wù)器/projects/soft/ext/clhep.tgz和g4.tgz到本地機(jī)器，解壓縮到相應(yīng)目錄即可。2023/8/99安裝Geant4(概要)1)建議使用SLC3/4操作系統(tǒng)，支設(shè)置Geant4環(huán)境變量由于Geant4練習(xí)過程中有大量圖形顯示，要求大家在本地機(jī)器上進(jìn)行練習(xí)。本地機(jī)器Geant4安裝在/projects/soft/ext/g4/geant4.9.0.p01/運(yùn)行Geant4之前需要先設(shè)置Geant4的環(huán)境變量，即運(yùn)行：source/projects/soft/ext/g4/geant4.9.0.p01/env.shGeant4環(huán)境變量都以G4開頭。比如G4INSTALL

:安裝目錄G4SYSTEM:操作系統(tǒng)及c++編譯器名稱,如Linux-g++G4WORKDIR:工作目錄我們?cè)O(shè)定的工作目錄為/projects/$USER/geant4所以大家需要在/projects/$USER目錄下建立geant4子目錄。以后所有的geant4工作都在G4WORKDIR下進(jìn)行。2023/8/910設(shè)置Geant4環(huán)境變量由于Geant4練習(xí)過程中有大量圖形Geant4自帶很多例子，從新手入門、高級(jí)、專家級(jí)例子：$G4INSTALL/examples/novice目錄為入門級(jí)7個(gè)例子首先看最簡(jiǎn)單的例子cd$G4WORKDIRcp-a$G4INSTALL/examples/novice.cdnovice/N01gmake(編譯)exampleN01(執(zhí)行)這是最簡(jiǎn)單的例子，只是告訴你Geant4如何工作，并且確認(rèn)你安裝的Geant4可以工作。例子中定義了徑跡探測(cè)器和三明治式量能器，每個(gè)事例發(fā)射一個(gè)虛擬粒子geantino(沒有真實(shí)的物理作用)。后面我們會(huì)具體介紹如何定義探測(cè)器幾何與材料、如何定義入射粒子、如何添加需要的物理過程、如何記錄需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。例一：NoviceExampleN012023/8/911Geant4自帶很多例子，從新手入門、高級(jí)、專家級(jí)例子：首先最基本的主函數(shù)(exN01)#include"G4RunManager.hh"#include"G4UImanager.hh"#include"ExN01DetectorConstruction.hh"#include"ExN01PhysicsList.hh"#include"ExN01PrimaryGeneratorAction.hh"intmain(){//構(gòu)造默認(rèn)的運(yùn)行管理器(強(qiáng)制)G4RunManager*runManager=newG4RunManager;//用探測(cè)器以及物理過程初始化運(yùn)行管理器(強(qiáng)制)

G4VUserDetectorConstruction*detector=newExN01DetectorConstruction;runManager->SetUserInitialization(detector);G4VUserPhysicsList*physics=newExN01PhysicsList;runManager->SetUserInitialization(physics);//設(shè)置用戶行為(強(qiáng)制)

G4VUserPrimaryGeneratorAction*gen_action=newExN01PrimaryGeneratorAction;runManager->SetUserAction(gen_action);//.....接下頁探測(cè)器、物理過程以及用戶行為的定義隨模擬的問題而變，在相應(yīng)類中指定。2023/8/912最基本的主函數(shù)(exN01)#include"G4RunM

//接上頁...

//初始化G4內(nèi)核runManager->Initialize();//獲取UI管理器的指針，并設(shè)置verbosities。G4UImanager*UI=G4UImanager::GetUIpointer();UI->ApplyCommand("/run/verbose1");UI->ApplyCommand("/event/verbose1");UI->ApplyCommand("/tracking/verbose1");//開始一次運(yùn)行G4intnumberOfEvent=3;runManager->BeamOn(numberOfEvent);//結(jié)束作業(yè)//釋放內(nèi)存：用戶行為、物理過程以及探測(cè)器描述屬于運(yùn)行管理器，

//將被運(yùn)行管理器自動(dòng)刪除，所以不應(yīng)該在主函數(shù)中刪除之。//只需要?jiǎng)h除運(yùn)行管理器和其它動(dòng)態(tài)指針即可。deleterunManager;return0;}最基本的主函數(shù)(exN01)如果想圖形顯示探測(cè)器以及物理過程的信息，需要在main函數(shù)中用到G4VisManager2023/8/913//接上頁...最基本的主函數(shù)(exN01)如果想圖形顯添加如下代碼進(jìn)行圖形顯示G4VisManager*visManager=newG4VisExecutive;visManager->Initialize();UI->ApplyCommand("/control/executevis.mac");//vis.mac文件中定義了跟圖形顯示有關(guān)的一些命令，比如觀看角度、縮放比例等。為了讓事例顯示在程序運(yùn)行后仍然駐留，需要開啟一個(gè)G4界面(G4UIsession)G4UIsession*session=0;session=newG4UIterminal();session->SessionStart();注1：確保已經(jīng)include了頭文件G4VisManager.hh注2：確保已定義了G4VIS_USE環(huán)境變量注3：程序結(jié)束前，不要忘記刪除session和visManager兩個(gè)動(dòng)態(tài)指針。2023/8/914添加如下代碼進(jìn)行圖形顯示G4VisManager*visM如何定義探測(cè)器幾何和材料Geant4模擬首先要考慮的是模擬的物理問題主要包括哪些物理過程以及想采用的探測(cè)器構(gòu)造。例N01的探測(cè)器是在ExN01DetectorConstruction類中定義的，該類繼承于G4VUserDetectorConstruction。探測(cè)器構(gòu)造主要包括：幾何、材料、敏感區(qū)域、敏感區(qū)域的讀出機(jī)制，本講只涉及幾何與材料。詳見該類的定義以及實(shí)現(xiàn)，即ExN01DetectorConstruction.hh(cc)關(guān)鍵：在Construct()函數(shù)中構(gòu)造必要的物質(zhì)、必要的幾何形狀，以及如何將基本單元放置(架構(gòu))成探測(cè)器。還可能包括磁場(chǎng)、敏感區(qū)域定義等。2023/8/915如何定義探測(cè)器幾何和材料Geant4模擬首先要考慮的是模擬的如何定義探測(cè)器材料(1)物質(zhì)定義：isotopes<->G4Isotopeelements<->G4Elementmolecules,compounds,mixtures<->G4MaterialG4Material屬性包括溫度、壓強(qiáng)、狀態(tài)、密度等，定義時(shí)有時(shí)需要明顯指出屬性。doubledensity=1.390*g/cm3;//密度doublea=39.95*g/mole;//原子量doublez=18.;//原子序數(shù)G4Material*lAr=newG4Material(“l(fā)iquidArgon”,z,a,dentsity);G4Element*H=newG4Element(name="Hydrogen",symbol="H",z=1.,a);G4Element*O=newG4Element(name="Oxygen",symbol="O",z=8.,a);density=1.000*g/cm3;G4Material*H2O=newG4Material(name="Water",density,ncomponents=2);H2O->AddElement(H,natoms=2);H2O->AddElement(O,natoms=1);//定義水，給定密度、元素種類數(shù)目、添加元素注：Geant4中的數(shù)據(jù)如果有單位都要明顯給出單位。比如doublelength=1.0*cm=10.0*mm二者效果是一樣的。方便程序中使用合適的單位，而且看代碼的時(shí)候比較直觀。2023/8/916如何定義探測(cè)器材料(1)物質(zhì)定義：doubledensit

//空氣的定義

G4Element*N=newG4Element("Nitrogen","N",z=7.,a=14.01*g/mole);G4Element*O=newG4Element("Oxygen","O",z=8.,a=16.00*g/mole);

G4Material*Air=newG4Material("Air",density=1.29*mg/cm3,nel=2);Air->AddElement(N,70*perCent);Air->AddElement(O,30*perCent);//指定百分比如何定義探測(cè)器材料(2)

//定義真空G4doublea,z;G4doubledensity,temperature,pressure;G4intnel;G4Material*Vacuum=newG4Material("Galactic",z=1.,a=1.01*g/mole,density=universe_mean_density,kStateGas,2.73*kelvin,3.e-18*pascal);//指定溫度、壓強(qiáng)等屬性2023/8/917//空氣的定義如何定義探測(cè)器材料(2)//定義真空20三個(gè)概念層面

G4VSolid–形狀，尺寸G4LogicalVolume–子物理體積，材料，靈敏區(qū)，磁場(chǎng)，用戶限制等等。G4VPhysicalVolume–位置，轉(zhuǎn)動(dòng)原則上幾何描述的三個(gè)層面允許最大限度的信息再利用，以便減小內(nèi)存空間。探測(cè)器靈敏區(qū)應(yīng)由用戶在G4VSensitiveDetector

進(jìn)行具體的定義并設(shè)置到G4LogicalVolume上。探測(cè)器幾何在Geant4中是由很多“體積”(Volumes)構(gòu)成的。Volume的概念在幾何構(gòu)造中非常重要。如何定義探測(cè)器幾何(1)2023/8/918三個(gè)概念層面G4VSolid–形狀，尺寸原則上幾何描述G4doubleexpHall_x=3.0*m;G4doubleexpHall_y=1.0*m;G4doubleexpHall_z=1.0*m;//Solid，指定幾何形狀和尺寸G4Box*experimentalHall_box=newG4Box(“expHall_box”,expHall_x,expHall_y,expHall_z);//Logical，指定具體物理特性，如其中物質(zhì)為Ar氣experimentalHall_log=newG4LogicalVolume(experimentalHall_box,Ar,"expHall_log",0,0,0);//Physical，指定放置位置以及旋轉(zhuǎn)角度等experimentalHall_phys=newG4PVPlacement(0,G4ThreeVector(),

experimentalHall_log,"expHall",0,false,0);如何定義探測(cè)器幾何(2)定義一個(gè)G4Box，長方體Geant4中基本的幾何形狀很多，比如：G4Box,G4Tubs,G4Cons,G4Para,G4Trd,G4Trap,G4Spere,G4Torus,G4Polycone,...2023/8/919G4doubleexpHall_x=3.0*m;如何定一個(gè)

Geant4體積的調(diào)用示意圖G4BoxG4TubsG4VSolidG4VPhysicalVolumeG4MaterialG4VSensitiveDetectorG4PVPlacementG4PVParameterisedG4VisAttributesG4LogicalVolume2023/8/920一個(gè)Geant4體積的調(diào)用示意圖G4BoxG4TubsG作為用戶，如何使用Geant4？首先不要嘗試去讀懂

Geant4上百萬行語句的含義！其次不要嘗試去讀懂所有Geant4的例子！然后根據(jù)你的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的例子，我個(gè)人建議大家仔細(xì)讀懂“Novice”中的第二個(gè)例子N02中在src與include

中的每一行語句的含義。Geant4

需要用戶告訴探測(cè)器的幾何是什么？材料是什么？研究的粒子是什么？物理過程什么？用戶需要從Geant4中得到粒子在反應(yīng)后或者輸運(yùn)后，可以被