Geant4学习——入门(基本概念、Geant4工具包的结构、强制类、可选类)

2024-01-07 21:38:52

Geant4是由欧洲核子研究组织基于C++面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程。由于具有良好的通用性和扩展能力，Geant4在涉及微观粒子与物质相互作用的诸多领域获得了广泛应用。

Geant4的基本概念

HEP中的模拟是“虚拟现实”。仿真既可用于在研发阶段帮助设计探测器，又可用于物理研究中了解探测器的响应。为了创建这样的虚拟现实，我们需要对粒子间的相互作用，几何形状和材料进行建模，以便将基本粒子传播到检测器中。我们还需要描述检测器生成原始数据的灵敏度。
Geant4是面向对象的工具包，它提供了在高能物理和其他领域进行仿真所需的功能。面向对象的好处有：

易于开发和维护
很好的模块化
协作者方便阅读和理解

讲述Geant4概念之前，先来看一个示例(B1)：

int main(int argc,char** argv)  //程序开始
{
  // Detect interactive mode (if no arguments) and define UI session
  // 如果执行文件后面没有脚本文件，则开启可视化界面
  G4UIExecutive* ui = 0;    
  if ( argc == 1 ) {
    ui = new G4UIExecutive(argc, argv);
  }

  // Optionally: choose a different Random engine...
  // G4Random::setTheEngine(new CLHEP::MTwistEngine);
  
  // Construct the default run manager
  // 产生一个运行管理对象runManager，采用默认类型
  auto* runManager =
    G4RunManagerFactory::CreateRunManager(G4RunManagerType::Default);

  // Set mandatory initialization classes
  //
  // Detector construction
  // 用定义的运行管理对象
  runManager->SetUserInitialization(new B1DetectorConstruction());

  // Physics list
  // 创建物理过程对象physicsList
  G4VModularPhysicsList* physicsList = new QBBC;
  physicsList->SetVerboseLevel(1);  // 设置物理过程的详细级别为1级
  runManager->SetUserInitialization(physicsList); // 初始化运行管理对象runManager的物理过程
    
  // User action initialization
  runManager->SetUserInitialization(new B1ActionInitialization());  // 初始化B1示例中行为类
  
  // Initialize visualization
  // 初始化可视化管理对象visManager
  G4VisManager* visManager = new G4VisExecutive;
  // G4VisExecutive can take a verbosity argument - see /vis/verbose guidance.
  // G4VisManager* visManager = new G4VisExecutive("Quiet");
  visManager->Initialize();   // 初始化可视化管理对象

  // Get the pointer to the User Interface manager
  G4UImanager* UImanager = G4UImanager::GetUIpointer();   // 获取指向可视化界面管理器的指针

  // Process macro or start UI session
  // 如果运行程序时输入了运行脚本文件，则运行为批处理模式；否则，则运行可视化界面
  if ( ! ui ) { 
    // batch mode
    G4String command = "/control/execute "; // 用户界面命令
    G4String fileName = argv[1];  // 记录脚本文件名称
    UImanager->ApplyCommand(command+fileName);  //执行用户界面命令
  }
  else { 
    // interactive mode 
    UImanager->ApplyCommand("/control/execute init_vis.mac");
    ui->SessionStart(); // 开始可视化界面
    delete ui;  // 释放执行对象ui内存
  }

  // Job termination
  // Free the store: user actions, physics_list and detector_description are
  // owned and deleted by the run manager, so they should not be deleted 
  // in the main() program !
  
  delete visManager;  // 释放可视化管理器内存
  delete runManager;  // 释放运行管理对象内存
}

从B1示例的主函数中我们可以看到，Geant4的运行是依靠Run、Event、Track、Step这几个部分组成的：

具体的运行过程为：

下面开始逐个介绍其每部分的作用以及含义：

Run

和现实中我们做实验一样，run表示在实验中发射一束粒子。当运行一个run后，以下信息在这个run结束前不能更改：

几何体结构
定义的物理过程

某种意义上讲，一个run是一系列相同情况下event的集合。

Event

在开始运行之前，一个event包含了某种被定义的粒子，每个粒子被存入stack中，当粒子发射完，stack为空时，该event结束。
G4Event类表示一个event。在结束时有以下能够收集以下信息：

主要顶点和粒子列表
轨迹信息（可选）
探测器敏感区域中轨道物理交互信息
探测器输出信息（例如ADC / TDC计数，触发信号）（可选）

Track

Track是存放每个粒子的信息，Step是Track的小段信息，但是Track不是Step的集合。Track在以下情况被析构(Delete)：

粒子离开World
粒子物理消失(例如衰变)
粒子的动能降至0并且不会发生其他的物理过程
用户自定义

Track在以下三个类中产生：

G4Track
– 位置、粒子信息、径迹长度、粒子飞行时间
– 它的ID以及母ID
G4DynamicParticle
– 动能、能量、时间、极化
– 固定衰减通道
G4ParticleDefinition
– 由相同类型的所有G4DynamicParticle共享
– 质量、寿命、电荷、其他物理量
– 衰减表

Step

Step具有两个点(Begin of step point,End of step point)，还有粒子的“增量”信息（Step的能量损失，Step所花费的飞行时间等）。
每个点都知道粒子信息，如果步骤受体积边界限制，则端点物理上位于边界上，并且逻辑上属于下一个体积。

Trajectory

Trajectory是Track历史的记录。它将轨道完成的所有步骤的一些信息存储为G4TrajectoryPoint类的对象。
由于内存消耗的角度来看，建议不要存储Trajectory中产生的次级粒子的轨迹。
用户可以从G4VTrajectory和G4VTrajectoryPoint基类创建自己的轨迹类，以存储对模拟有用的任何其他信息。

Geant4运行的基本流程

如何开始Geant4

初始化

定义物质和几何体结构
定义粒子、物理过程以及加载需要的反应截面表

运行

导入几何体结构
循环Event
– 若多于一个run，则配置不同几何体

用户需要定义的类

初始化类
– 在初始化中调用
G4VUserDetectorConstruction
G4VUserPhysicsList
行为类
– 在Event循环中调用的类
G4VUserPrimaryGeneratorAction
G4UserRunAction
G4UserEventAction
G4UserStackingAction
G4UserTrackingAction
G4UserSteppingAction

几个简单的输入输出流(G4cout,G4cerr,G4endl)

G4cout，G4cerr，G4endl在G4ios.hh中定义，这些对象封装了机器/操作系统/编译器依赖。就像普通的std :: cout，std :: cerr，std :: endl一样使用它们。一些GUI使用这些ostream对象来保留自己的缓冲日志文件。不推荐使用std :: cin。某些GUI无法正确处理std :: cin，使用用户定义的UI命令获取输入。

强制用户定义类

设置环境变量

这些操作在安装Geant4时理应设置好！

[ming@localhost geant4make]$ $G4SYSTEM
bash: Linux-g++: command not found...

[ming@localhost Desktop]$ cd $G4INSTALL
[ming@localhost geant4make]$ pwd
/usr/local/share/Geant4-10.7.1/geant4make

[ming@localhost geant4make]$ cd $G4WORKDIR
bash: cd: /home/ming/geant4_workdir: No such file or directory

[ming@localhost geant4make]$ cd $CLHEP_BASE_DIR 
[ming@localhost local]$ pwd
/usr/local

[ming@localhost ~]$ cd $G4LEVELGAMMADATA
[ming@localhost PhotonEvaporation5.7]$ pwd
/usr/local/share/Geant4-10.7.1/data/PhotonEvaporation5.7

还有一些其他变量，例如GUI、VIS、ROOT等！

主程序

Geant4不提供main()，需要用户自己编写。
主程序中，必须包含以下几个部分：

G4RunManager运行管理类，在程序的开头，一般创建一个单线程的运行管理类对象或者多线程运行管理类；
将强制类设置到设置到运行管理对象中：
– G4VUserDetectorConstruction
– G4VUserPhysicsList
– G4VUserPrimaryGeneratorAction
用户可以定义VisManager、UI session以及其他行为类放到主程序中。

可视化

在主程序中，根据计算机环境，构造Geant4提供的G4UIsession具体类，并调用其sessionStart（）方法来进行可视化，Geant4提供以下几种可视化的方式：

G4UIterminal——C-shell字符终端
G4GAG——基于Tcl / Tk或Java PVM的GUI
G4Wo——Opacs
G4UIBatch——宏文件的批处理文件(常用)

根据您的计算机环境从G4VVisManager派生用户自己的具体类。Geant4提供图形驱动程序的接口：

DAWN
WIRED
RayTracer
OPACS
OpenGL
OpenInventor
VRML

定义Detector

从G4VUserDetectorConstruction抽象基类派生用户自己的具体类。
用户要在虚函数Construct()中定义以下内容：

构建所有几何体需要的材料
构建所有detector几何体体积
构建探测器灵敏区

可以选择定义探测器元素的可视化属性。

选择物理过程

Geant4没有任何默认的粒子或过程，即使对于粒子传输，也必须明确定义它。
从G4VUserPhysicsList抽象基类派生用户自己的具体类：

定义所有必要的粒子
定义所有必要的过程并将其分配给适当的粒子
定义截止范围

Geant4提供了许多实用程序类/函数。

产生初级粒子

从G4VUserPrimaryGeneratorAction抽象基类派生用户的具体类，将G4Event对象传递给一个或多个主要生成器具体类对象，这些对象生成主要顶点和主要粒子，Geant4提供了三个粒子生成器：

G4ParticleGun
G4HEPEvtInterface
– 通过ascii文件连接到/hepevt/common
HepMC的接口。

用户可选类

必须在用户的main（）中构造所有用户行为类，这些类的方法在Beam On期间被调用，并且必须将其设置为RunManager。

G4UserRunAction

BeginOfRunAction(const G4Run*)
– 定义直方图
EndOfRunAction(const G4Run*)
– 收集直方图

G4UserEventAction

BeginOfEventAction(const G4Event*)
– Event选择
– 定义直方图
EndOfEventAction(const G4Event*)
– 分析Event

G4UserStackingAction

PrepareNewEvent()
ClassifyNewTrack(const G4Track*)
NewStage()

G4UserTrackingAction

PreUserTrackingAction(const G4Track*)
– 确定轨迹是否存储
– 创建用户定义的轨迹
PostUserTrackingAction(const G4Track*)

G4UserSteppingAction

UserSteppingAction(const G4Step*)
– kill/暂停/推迟Track
– 绘制步骤（对于不由轨迹存储的轨迹）

参考资料：
GettingStarted
B1

码农公寓