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1、2024/9/191粒子物理与核物理实验中的数粒子物理与核物理实验中的数据分析据分析杨振伟清华大学第第七七讲讲:Geant4 的探测的探测器模拟介绍器模拟介绍(2)2024/9/192上讲回顾上讲回顾nGeant4 简介简介n模拟粒子穿过物质的工具包模拟粒子穿过物质的工具包 广泛应用于粒子物理、核物理、加速器广泛应用于粒子物理、核物理、加速器物理、医学物理、空间科学等领域物理、医学物理、空间科学等领域n基本概念和重要的用户类基本概念和重要的用户类n安装安装Geant4n使用使用Geant4：探测器几何与材料探测器几何与材料2024/9/193本讲要点本讲要点n物理过程物理过程n粒子定义粒子定义
2、n物理过程定义物理过程定义nRunRun和和EventEvent等基本概念等基本概念2024/9/194Geant4模拟的基本流程设计探测器设计探测器(几何、材料等几何、材料等)粒子在探测器粒子在探测器中可能发生的中可能发生的各种反应各种反应(物理过程物理过程)粒子和物理过程的定义在相应的粒子和物理过程的定义在相应的PhysicsList类中，如类中，如ExN01PhysicsList预备模拟的事例预备模拟的事例(粒子定义粒子定义)进入探测器进入探测器模拟粒子在探测器模拟粒子在探测器中的各种可能过程中的各种可能过程敏感探测器中敏感探测器中信号记录信号记录信号数字化信号数字化与读出从与读出从数据
3、重建与分析处理数据重建与分析处理修改探测器设计修改探测器设计和物理过程？和物理过程？2024/9/195 Geant4 中的粒子中的粒子nGeant4 中的粒子由三层类来表示。中的粒子由三层类来表示。nG4Trackn将动态粒子放到具体环境中，给出位置，几何将动态粒子放到具体环境中，给出位置，几何信息等等。信息等等。nG4DynamicParticlen赋予粒子运动学赋予粒子运动学( (动态动态) )属性，如动量，能量，属性，如动量，能量，自旋方向等等。自旋方向等等。nG4ParticleDefinitionn粒子的粒子的“静态静态”特征量，如电荷、质量、寿命等等。特征量，如电荷、质量、寿命等
4、等。 n没有能量、方向等信息没有能量、方向等信息2024/9/196粒子定义(1)n首先要定义粒子，即模拟中可能产生的各种粒子nGeant4提供了各种类型的粒子： 1.普通粒子：如电子、质子、光子等 2.共振态粒子：寿命短，如矢量介子等 3.核子：如氘核、氦核及重离子等 4.夸克、胶子等n定义的附带了粒子的各种信息：如名称、质量、电荷、自旋、寿命、衰变道等2024/9/197nGeant4中粒子分以下六大类 lepton meson baryon boson shortlived ion粒子定义(2)2024/9/198nPhysicsList中定义粒子 在ConstructParticle(
5、)函数中定义粒子定义(3)void ExN01PhysicsList:ConstructParticle() G4Geantino:GeantinoDefinition();/定义geantino G4Proton:ProtonDefinition();/定义质子 G4Positron:PositronDefinition();/正电子 G4MuonPlus:MuonPlusDefinition();/+ G4AntiNeutrinoE:AntiNeutrinoEDefinition();/反电子中微子 .但是如果过程复杂，需要定义的粒子非常多，但是如果过程复杂，需要定义的粒子非常多，需要有更
6、方便的定义方法需要有更方便的定义方法2024/9/199粒子定义(4)void ExN01PhysicsList:ConstructParticle() ConstructLeptons();/构造轻子 ConstructBosons(); /构造玻色子 .void ExN01PhysicsList:ConstructLeptons() / 定义所有轻子 G4LeptonConstructor pConstructor; pConstructor.ConstructParticle(); void ExN01PhysicsList:ConstructBosons() / 定义所有玻色子 G4B
7、osonConstructor pConstructor; pConstructor.ConstructParticle(); .除了轻子、玻色子还包括：G4MesonConstructorG4BaryonConstructorG4IonConstructorG4ShortlivedConstructor如果对过程中可能需要的粒子不确定，可以用这种办法把所有粒子都构造出来。2024/9/1910Geant4对不同粒子的处理及截断nGeant4对不同类型粒子的处理不同，如： 1.稳定/长寿命粒子：径迹模拟 2.K0:直接被重定义为K0_L或K0_S，然后模拟径迹 3.短寿命粒子：直接衰变，而不模
8、拟径迹n有些过程需要设置截断 Geant4统一采用长度截断，内核自动将长度换算为能量，换算出的能量依赖于不同的物质。 SetCuts()函数，见ExN01PhysicsList或ExN02PhysicsList2024/9/1911Geant4 的物理过程的物理过程n要模拟真实的物理，必须首先知道粒子在物质中哪些相互要模拟真实的物理，必须首先知道粒子在物质中哪些相互作用是最主要的，或者说哪些物理过程是重要的。作用是最主要的，或者说哪些物理过程是重要的。Geant4提供了提供了7大类物理过程描述粒子与物质的相互作大类物理过程描述粒子与物质的相互作用。用。$G4INSTALL/data目录存放物理
9、模型的数据目录存放物理模型的数据 nelectromagnetic:electromagnetic:电磁相互作用过程电磁相互作用过程( (标准的和低能的标准的和低能的) )nhadronic:hadronic:强子相互作用过程强子相互作用过程( (纯强子、辐射衰变、光电纯强子、辐射衰变、光电- -核核) )ndecay:decay:衰变过程衰变过程nphotolepton-hadron:photolepton-hadron:光轻子与强子的相互作用过程光轻子与强子的相互作用过程noptical:optical:光学的光子过程光学的光子过程nparameterization:parameteriz
10、ation:参数化过程参数化过程( (即即fast simulation)fast simulation)ntransportion:transportion:输运过程输运过程要根据事例中的粒子以及材料，指定必要的物理过程其中输运过程是必须添加的过程。其中输运过程是必须添加的过程。2024/9/1912物理过程的添加void ExN01PhysicsList:ConstructProcess() AddTransportation(); /添加输运过程void ExN02PhysicsList:ConstructProcess() AddTransportation(); /添加输运过程 /添
11、加电磁过程，自定义， /见void ExN02PhysicsList:ConstructEM() ConstructEM(); /添加一般过程(实际上是衰变过程)，自定义， /见void ExN02PhysicsList:ConstructGeneral() ConstructGeneral(); 2024/9/1913产生Primary Eventn必须指定如何产生一个事件，才能进行模拟，在G4VUserPrimaryGeneratorAction的具体类中用G4VPrimaryGenerator的具体类来完成。n有两种PrimaryGenerator G4ParticleGun:发射指定能
12、动量的特定粒子 G4HEPEvtInterface:利用提供的接口，读取外部产生子产生的事例。外部产生子的结果按照HEPEvt的格式写成ASCII文件2024/9/1914G4ParticleGun/参数n_particle表示一次发射的粒子数目G4ParticleGun* particleGun = new G4ParticleGun(n_particle);G4ParticleGun有很多设置函数，如：SetParticleDefinition(G4ParticleDefinition*); /粒子类型SetParticleMomentumDirection(G4ThreeVector);
13、 /动量方向SetParticleEnergy(G4double); /能量SetParticlePosition(G4ThreeVector); /发射位置.粒子枪的属性设置好之后，才调用generatePrimaryVertex()函数，产生事例的主顶点。粒子枪本身不提供随机性，发射的粒子都是指定的。如果需要按照某分布随即发射粒子，需要在调用generatePrimaryVertex()之前，利用Geant4提供的随机数产生子自己写出需要的分布。参见ExN01PrimaryGeneratorAction:generatePrimaries(G4Event*)函数2024/9/1915G4R
14、unnRun是Geant4模拟的最大单元。一次Run中，探测器几何、敏感探测器、物理过程都不能改变。 G4RunManager调用BeanOn()时开始一次Run。可以包含很多Event。 G4UserRunActio类中有BeginOfRunAction()和EndOfRunAction()。 前者主要用于进行run号设定、直方图或TTree,TFile定义等，后者主要进行存储直方图或者文件等。在调用BeanOn()的过程中，将调用5种(如存在)用户作用类：G4UserRunAction, G4UserEventAction, G4UserStackingAction, G4UserTrac
15、kingAction, G4UserSteppingAction在概念上，一个在概念上，一个 run 收集的是同一个探测器条件下收集的是同一个探测器条件下的事例。的事例。2024/9/1916G4EventnG4Event表示一个事例。一个event对象包含有模拟事例的所有输入和输出信息，主要是4大类：主顶点和主粒子、径迹、击中以及数字化集合。G4UserEventAction类中有BeginOfEventAction()和EndOfEventAction()，前者可以作事例开始的预备工作，后者可以将事例的有用信息提取出来，填充到直方图或者TTree中。n用作输入的原初顶点和粒子列表用作输入的
16、原初顶点和粒子列表n所收集的各种在探测器的击中或响应所收集的各种在探测器的击中或响应n所收集的各种运动轨迹信息所收集的各种运动轨迹信息 ( (可选项可选项) )n所收集的各种数字化信息所收集的各种数字化信息 ( (可选项可选项) )2024/9/1917在在 Geant4 中的迹中的迹n迹是粒子在探测器中留下的痕迹。迹是粒子在探测器中留下的痕迹。n只体现出当时粒子的位置和物理量。只体现出当时粒子的位置和物理量。n步是粒子径迹的一小段步是粒子径迹的一小段“ ”信息。信息。n在下列情况下，迹要被删除：在下列情况下，迹要被删除：n粒子径迹并不是步的集合。粒子径迹并不是步的集合。n迹离开广义中的大体积
17、迹离开广义中的大体积n迹消失迹消失 ( (例如发生了衰变例如发生了衰变) )n粒子动能为零，在粒子动能为零，在( (AtRest) )时也无其它物理过程的要求。时也无其它物理过程的要求。n用户决定要将其删除。用户决定要将其删除。n在每个事例结尾，不保留迹的目标模块。在每个事例结尾，不保留迹的目标模块。n用运功轨迹的类目标模块来记录粒子的径迹。用运功轨迹的类目标模块来记录粒子的径迹。nG4TrackingManager 负责管理处理负责管理处理迹的进程迹的进程，迹由迹由 G4Track 类表示。类表示。2024/9/1918在在 Geant4 中的步中的步n每一步都有两个点和粒子的每一步都有两个
18、点和粒子的 “ ” 信息信息 ( (在该步的在该步的能损，所需的飞行时间，等等能损，所需的飞行时间，等等) )。n在每一点上，都应该知道其所处在的体积在每一点上，都应该知道其所处在的体积( (与材料与材料) )内。如有一步跨越边界，该步的截止点物理上就内。如有一步跨越边界，该步的截止点物理上就设在该边界上，逻辑上该点属于下一个体积。设在该边界上，逻辑上该点属于下一个体积。n由于一步能知道两个体积的物质材料，因此可以模拟在由于一步能知道两个体积的物质材料，因此可以模拟在边界发生的跃迁辐射或折射过程。边界发生的跃迁辐射或折射过程。nG4SteppingManager 类负责管理步的处理，步类负责管
19、理步的处理，步由由 G4Step 类表示。类表示。步的起点步的起点步的终点步的终点步步 边界边界 2024/9/1919跟踪与物理过程处理跟踪与物理过程处理nGeant4 迹跟踪是很普遍的。迹跟踪是很普遍的。 n它无关于它无关于 粒子的种类粒子的种类 粒子所涉及的物理过程粒子所涉及的物理过程n它给所有物理过程提供了它给所有物理过程提供了帮助确定步的长度的机会帮助确定步的长度的机会帮助对任何可能对迹的物理量进行改变的机会帮助对任何可能对迹的物理量进行改变的机会对迹状态改变给出建议的机会对迹状态改变给出建议的机会例如，中止，搁置或删除。例如，中止，搁置或删除。2024/9/1920物理过程与步物理
20、过程与步n每个物理过程有着下列一个或几个结合的性质每个物理过程有着下列一个或几个结合的性质。nAtRest例如例如 muon 在静止时衰变在静止时衰变nAlongStep例如例如 期仑科夫过程期仑科夫过程nPostStep例如例如 在飞行中衰变在飞行中衰变AtRestAlongStepPostStep物理过程需要指明发生在AtRest,AlongStep,或PostStep上，且需要给出顺序。如下面函数调用后面的3个参数分别表示这三个状态下该物理过程是否发生以及顺序：pmanager-AddProcess(new G4MultipleScattering,-1, 1,1);详见ExN02Phy
21、sicsList.cc中ConstructEM()部分。 “-1”表示不发生物理过程。2024/9/1921物理过程的顺序n有的物理过程的顺序很重要 如果包含这三个过程，则它们必须以如下顺序放在所有其它过程的后面 . multiple scattering ionization transportation2024/9/1922Geant4 是如何运行的是如何运行的SteppingSteppingManagerManagerPhysicsPhysicsProcessProcessParticleParticleChangeChangeStepStepTrackTrackLogicalLogic
22、alVolumeVolumeSensitiveSensitiveDetectorDetectorGetPhysicalInteractionLengthGetPhysicalInteractionLengthSelectShortestSelectShortestDoItDoItFillFillUpdateUpdateUpdateUpdateIsSensitiveIsSensitiveGenerateHitsGenerateHits2024/9/1923Geant4 的切割点的切割点n在在Geant4切割点指的是切割点指的是产生阈产生阈。n只对于有红外发散的物理过程。只对于有红外发散的物理过程
23、。n不存在粒子迹的切割不存在粒子迹的切割n能量阈必须确定在由代替分立值能损的连续值上能量阈必须确定在由代替分立值能损的连续值上n过去的处理方法：过去的处理方法： 跟踪原初粒子直到其达到了切割能量值，计算连续跟踪原初粒子直到其达到了切割能量值，计算连续能损并赋予对应的点，然后停止跟踪原初粒子能损并赋予对应的点，然后停止跟踪原初粒子只在切割能量值上产生次级粒子，对于低能次级粒只在切割能量值上产生次级粒子，对于低能次级粒子则叠加到原初粒子的连续能损上。子则叠加到原初粒子的连续能损上。nGeant4 的处理方法的处理方法: : 在连续能损开始那一点，指定射程在连续能损开始那一点，指定射程 ( (转换到
24、每个材转换到每个材料对应的能量料对应的能量) ) 跟踪原初粒子直到射程为零。跟踪原初粒子直到射程为零。只在给定的射程上产生次级粒子，能量低于所在物只在给定的射程上产生次级粒子，能量低于所在物质要求射程的次级粒子，其能损叠加到原初粒子上。质要求射程的次级粒子，其能损叠加到原初粒子上。2024/9/1924能量切割与射程切割之比较能量切割与射程切割之比较n500 MeV/c 质子质子液态液态 Ar (4mm) / Pb (4mm) 取取样量能器中的输运过程样量能器中的输运过程 liq.ArPbliq.ArPbnGeant3 (能量切割能量切割)nEcut = 450 keVnGeant4 (射程切
25、割射程切割)nRcut = 1.5 mmn对应于对应于 Ecut in liq.Ar = 450 keV, Ecut in Pb = 2 MeV吸收层模拟太多吸收层模拟太多吸收层只需一两次模拟吸收层只需一两次模拟探测层模拟比较详细探测层模拟比较详细2024/9/1925小结小结nGeant4的中粒子的定义的中粒子的定义(6大类大类)： lepton meson baryon boson shotlived ionnGeant4的几种物理过程的几种物理过程(7大类大类)： electromagnetic hadronic decay photolepton-hadron optical para
26、meterization (fast simulation) transportionnRun/Event等基本概念等基本概念2024/9/1926练习1)利用N02例子，改变入射粒子为e+, e-, pion0,proton,neutron，改变粒子能量为10MeV,100MeV, 500MeV 查看探测器中显示有什么不同。 改变探测器材料为塑料闪烁体，查看e+,e-以及+, -的结果2)N02例子只添加了电磁作用，尝试加入hadronic作用。3)water例子给出了添加切伦科夫光的方法。 首先在探测器构造中为水加上光学属性，然后在物理过程中加入切伦科夫过程。尝试读懂程序的这两部分。(http:/ b)在RangePhysicsList.cc中查找Cerenkov关键字2024/9/1927参考资料nGeant4 Users Guide (For Application Developers) 2.4-2.6， 3.4-3.5， 5.1-5.7， 6.1-6.3nhttp:/geant4.cern.ch/bin/SRM/G4GenDoc.csh?flag=1
