1、2022-11-81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2022-11-82本讲要点本讲要点nGeant4 简介简介n一般介绍和历史一般介绍和历史n基本概念和内核基本概念和内核n重要的用户类重要的用户类n如何安装如何安装Geant4n如何使用如何使用Geant4 (探测器几何与材料探测器几何与材料)2022-11-83数据分析为什么需要模拟信息？数据分析为什么需要模拟信息？探测器探测器数据数据重建重建物理物理分析分析模拟模拟Geant4发现发现 n发现发现 1刻度刻度写成写成 root root 或或 其它格式其它格式把电学量变为把电学量变为物理量并做各物理量并做各
2、种刻度与修正。种刻度与修正。把分立测量把分立测量联系起来给联系起来给出四动量等出四动量等问题在于我们如何知道所做的工作是正确的？问题在于我们如何知道所做的工作是正确的？2022-11-84模拟需要做的主要工作模拟需要做的主要工作 定义探测器几何定义探测器几何(具有有限接受范围的探测器具有有限接受范围的探测器)指定探测器的物质指定探测器的物质(“有用的有用的”/“没用的没用的”各种材料各种材料)指定物理过程与粒子指定物理过程与粒子(什么东西在探测器中干了什么什么东西在探测器中干了什么)产生原始事例产生原始事例(模拟重复实验模拟重复实验n n次次)数据收集和分析数据收集和分析(取出探测器可以获得的
3、信息并处理分析取出探测器可以获得的信息并处理分析)除了最后的分析，其余都可以由除了最后的分析，其余都可以由Geant4Geant4负责处理负责处理最后一步一般由最后一步一般由ROOTROOT处理处理2022-11-85其应用领域主要包括：高能物理、核物理、加速器物理以及医学和空间科学的研究等。什么是什么是 Geant4?简单地说，Geant4 是模拟粒子穿过物质模拟粒子穿过物质的工具包。提供了探测器模拟的完整工具：几何，探测器响应，运行、事例以及径迹管理、图形显示、用户接口等。提供了极为丰富的可供选择的物理过程 详见http:/geant4.cern.ch/support/about.shtm
4、l 参考 资料 1)http:/geant4.cern.ch 2)Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 506(2003)250-303,and IEEE Transactions on Nuclear Science 53 No.1(2006)270-278.最新版为9.4p01，于2011年2月25日发布2022-11-86Geant4的特点的特点?nGeant4 发展于发展于 Geant3,充分利用了充分利用了C+语言中的语言中的优势，是粒子与核物理实验模拟最好的工具之一。优势，是粒子与核物理实验模拟最好的工具之一。免
5、费下载，更新迅速免费下载，更新迅速nGeant4 是最早成功使用面向对象环境重新设计的是最早成功使用面向对象环境重新设计的粒子与核物理软件包，几乎所有大型实验的模拟粒子与核物理软件包，几乎所有大型实验的模拟都基于都基于Geant4Geant4。nGeant4 的应用远不止于粒子与核物理。考虑了各的应用远不止于粒子与核物理。考虑了各个方面的需求，包括重离子物理、电荷与宇称破个方面的需求，包括重离子物理、电荷与宇称破缺物理、宇宙线物理、天体物理、空间科学以及缺物理、宇宙线物理、天体物理、空间科学以及医学应用等。医学应用等。n为了满足这些需求，提供了强大的功能和灵活性。为了满足这些需求，提供了强大的
6、功能和灵活性。2022-11-87Geant4 的基本概念与内核的基本概念与内核Geant4ReadoutVisualization Persistency RunEventInterfaces TrackingDigits+HitsProcessesTrackGeometryParticleGraphic_reps MaterialIntercomsGlobalnGeant4 包含包含17大类大类n每一大类都有专门每一大类都有专门独立的研发工作小独立的研发工作小组负责。组负责。n各大类之间的界面各大类之间的界面(例如顶层的设计例如顶层的设计)由整体结构工作小由整体结构工作小组来维护组来维护。
7、nGeant4 的内核的内核n处理运行号，事例，处理运行号，事例，迹，步，击中，运迹，步，击中，运动轨迹。动轨迹。n提供几何表示和物提供几何表示和物理过程的架构。理过程的架构。2022-11-88Geant4 软件包中的内容软件包中的内容n1 百万百万行语句行语句n网上可以自由下载网上可以自由下载n还在不断的增加与更新还在不断的增加与更新n6 份使用工具书份使用工具书n网上可以自由下载网上可以自由下载n与软件包一起附送与软件包一起附送n参照工具书运行例子程序参照工具书运行例子程序n包含了从简单到较复杂各包含了从简单到较复杂各种模拟程序种模拟程序(novice,extended,advanced
8、)nLinux,MacOSX,SUNnWindows/XPnC+编译器编译器n 如如g+,VC+等等nCLHEP库库nGNU Make,shellnX WindowsnOpenGL 或或 MesaGLnDAWNn.至少需要其中的一个至少需要其中的一个2022-11-89安装Geant4(概要)对SLC3/4操作系统的支持和兼容性很好，如果SLC3/4是完全安装，则安装Geant4只需要预安装CLHEP(必需)和Qt4(可选，Geant4.9.0开始尝试支持Qt4，但还不完善)1)下载并安装CLHEP程序包2)如果需要Qt4，则下载并安装Qt43)下载Geant4软件包以及相应的数据文件(用于各
9、种物理过程模型)，按照安装手册进行编译安装安装过程中，./Configure时有很多选项需要选择，根据自己的需要选择。参见(注：文件中有些链接已经old，需要google最新版)http:/ http:/ http:/ :安装目录G4SYSTEM :操作系统及c+编译器名称,如Linux-g+G4WORKDIR :工作目录我们设定的工作目录为/projects/$USER/geant4所以大家需要在/projects/$USER目录下建立geant4子目录。以后所有的geant4工作都在G4WORKDIR下进行。2022-11-812Geant4自带很多例子，从新手入门、高级、专家级例子：$G
10、4INSTALL/examples/novice目录为入门级7个例子首先看最简单的例子cd$G4WORKDIRcp-a$G4INSTALL/examples/novice.cd novice/N01gmake (编译)$G4WORKDIR/bin/$G4System/exampleN01 (执行)这是最简单的例子，只是告诉你Geant4如何工作，并且确认你安装的Geant4可以工作。例子中定义了径迹探测器和三明治式量能器，每个事例发射一个虚拟粒子geantino(没有真实的物理作用)。后面我们会具体介绍如何定义探测器几何与材料、如何定义入射粒子、如何添加需要的物理过程、如何记录需要的实验数据。
11、例一：例一：Novice Example N012022-11-813最基本的主函数(exN01)#include G4RunManager.hh#include G4UImanager.hh#include ExN01DetectorConstruction.hh#include ExN01PhysicsList.hh#include ExN01PrimaryGeneratorAction.hhint main()/构造默认的运行管理器构造默认的运行管理器(强制强制)G4RunManager*runManager=new G4RunManager;/用探测器以及物理过程初始化运行管理器用探测
12、器以及物理过程初始化运行管理器(强制强制)G4VUserDetectorConstruction*detector=new ExN01DetectorConstruction;runManager-SetUserInitialization(detector);G4VUserPhysicsList*physics=new ExN01PhysicsList;runManager-SetUserInitialization(physics);/设置用户行为设置用户行为(强制强制)G4VUserPrimaryGeneratorAction*gen_action=new ExN01PrimaryGen
13、eratorAction;runManager-SetUserAction(gen_action);/.接下页接下页探测器、物理过程以及用户行为的定义随模拟探测器、物理过程以及用户行为的定义随模拟的问题而变，在相应类中指定。的问题而变，在相应类中指定。2022-11-814 /接上页接上页./初始化初始化G4 内核内核 runManager-Initialize();/获取获取UI管理器的指针，并设置管理器的指针，并设置verbosities。G4UImanager*UI=G4UImanager:GetUIpointer();UI-ApplyCommand(/run/verbose 1);UI
14、-ApplyCommand(/event/verbose 1);UI-ApplyCommand(/tracking/verbose 1);/开始一次运行开始一次运行 G4int numberOfEvent=3;runManager-BeamOn(numberOfEvent);/结束作业结束作业 /释放内存：用户行为、物理过程以及探测器描述属于运行管理器，释放内存：用户行为、物理过程以及探测器描述属于运行管理器，/将被运行管理器自动删除，所以不应该在主函数中删除之。将被运行管理器自动删除，所以不应该在主函数中删除之。/只需要删除运行管理器和其它动态指针即可。只需要删除运行管理器和其它动态指针即可
15、。delete runManager;return 0;最基本的主函数(exN01)如果想图形显示探测器以及物理过程的信息，如果想图形显示探测器以及物理过程的信息，需要在需要在main函数中用到函数中用到G4VisManager2022-11-815添加如下代码进行图形显示G4VisManager*visManager=new G4VisExecutive;visManager-Initialize();UI-ApplyCommand(/control/execute vis.mac);/vis.mac文件中定义了跟图形显示有关的一些命令，比如观看角度、缩放比例等。文件中定义了跟图形显示有关的
16、一些命令，比如观看角度、缩放比例等。为了让事例显示在程序运行后仍然驻留，为了让事例显示在程序运行后仍然驻留，需要开启一个需要开启一个G4界面界面(G4UIsession)G4UIsession*session=0;session=new G4UIterminal();session-SessionStart();注注1：确保已经：确保已经include了需要的头文件了需要的头文件注注2：确保已定义了：确保已定义了G4VIS_USE环境变量环境变量注注3：程序结束前，不要忘记删除：程序结束前，不要忘记删除session和和visManager两个动态指针。两个动态指针。2022-11-816如何
17、定义探测器几何和材料Geant4模拟首先要考虑的是模拟的物理问题主要包括哪些物理过程以及想采用的探测器构造。例N01的探测器是在ExN01DetectorConstruction类中定义的，该类继承于G4VUserDetectorConstruction。探测器构造主要包括：几何、材料、灵敏区域、灵敏区域的读出机制，本讲只涉及几何与材料。详见该类的定义以及实现，即ExN01DetectorConstruction.hh(cc)关键：关键：在在Construct()函数中构造必要的物质、函数中构造必要的物质、必要的几何形状，以及如何将基本单元放置必要的几何形状，以及如何将基本单元放置(架构架构)
18、成探测器。还可能包括磁场、灵敏区域定义等。成探测器。还可能包括磁场、灵敏区域定义等。2022-11-817如何定义探测器材料(1)物质定义：isotopes G4Isotopeelements G4Elementmolecules,compounds,mixtures G4MaterialG4Material属性包括温度、压强、状态、密度等，定义时有时需要明显指出属性。double density=1.390*g/cm3;/密度密度double a=39.95*g/mole;/原子量原子量double z=18.;/原子序数原子序数G4Material*lAr=new G4Material(“
19、liquidArgon”,z,a,dentsity);G4Element*H =new G4Element(name=Hydrogen,symbol=H,z=1.,a);G4Element*O =new G4Element(name=Oxygen ,symbol=O,z=8.,a);density=1.000*g/cm3;G4Material*H2O=new G4Material(name=Water,density,ncomponents=2);H2O-AddElement(H,natoms=2);H2O-AddElement(O,natoms=1);/定义水，给定密度、元素种类数目、添加元
20、素定义水，给定密度、元素种类数目、添加元素注：注：Geant4中的数据如果有单位都要明显给出单位。中的数据如果有单位都要明显给出单位。比如比如double length=1.0*cm =10.0*mm 二者效果是一样的。二者效果是一样的。方便程序中使用合适的单位，而且看代码的时候比较直观。方便程序中使用合适的单位，而且看代码的时候比较直观。2022-11-818/空气的定义 G4Element*N=new G4Element(Nitrogen,N,z=7.,a=14.01*g/mole);G4Element*O=new G4Element(Oxygen ,O,z=8.,a=16.00*g/mo
21、le);G4Material*Air=new G4Material(Air,density=1.29*mg/cm3,nel=2);Air-AddElement(N,70*perCent);Air-AddElement(O,30*perCent);/指定百分比如何定义探测器材料(2)/定义真空 G4double a,z;G4double density,temperature,pressure;G4int nel;G4Material*Vacuum=new G4Material(Galactic,z=1.,a=1.01*g/mole,density=universe_mean_density,k
22、StateGas,2.73*kelvin,3.e-18*pascal);/指定温度、压强等属性2022-11-819n三个概念层面三个概念层面 nG4VSolid 形状，尺寸形状，尺寸nG4LogicalVolume 子物理体积，材料，灵敏区，子物理体积，材料，灵敏区，磁场，用户限制等等。磁场，用户限制等等。nG4VPhysicalVolume 位置，转动位置，转动n原则上几何描述的三个层面允许最大限度的信息再原则上几何描述的三个层面允许最大限度的信息再利用，以便减小内存空间。利用，以便减小内存空间。n探测器灵敏区应由用户在探测器灵敏区应由用户在G4VSensitiveDetector 进行具
23、体的定义并设置到进行具体的定义并设置到G4LogicalVolume 上。探测器几何在Geant4中是由很多“体积”(Volumes)构成的。Volume的概念在几何构造中非常重要。如何定义探测器几何(1)2022-11-820G4double expHall_x=3.0*m;G4double expHall_y=1.0*m;G4double expHall_z=1.0*m;/Solid，指定几何形状和尺寸G4Box*experimentalHall_box =new G4Box(“expHall_box”,expHall_x,expHall_y,expHall_z);/Logical，指定具
24、体物理特性，如其中物质为Ar气experimentalHall_log=new G4LogicalVolume(experimentalHall_box,Ar,expHall_log,0,0,0);/Physical，指定放置位置以及旋转角度等experimentalHall_phys=new G4PVPlacement(0,G4ThreeVector(),experimentalHall_log,expHall,0,false,0);如何定义探测器几何(2)定义一个G4Box，长方体Geant4中基本的几何形状很多，比如：G4Box,G4Tubs,G4Cons,G4Para,G4Trd,G4
25、Trap,G4Spere,G4Torus,G4Polycone,.2022-11-821一个一个 Geant4 体积的调用示意图体积的调用示意图G4BoxG4TubsG4VSolidG4VPhysicalVolumeG4MaterialG4VSensitiveDetectorG4PVPlacementG4PVParameterisedG4VisAttributesG4LogicalVolume2022-11-822作为用户，如何使用作为用户，如何使用Geant4？首先不要尝试去读懂首先不要尝试去读懂 Geant4 上百万行语句的含义！上百万行语句的含义！其次不要尝试去读懂其次不要尝试去读懂所有
26、所有 Geant4 的例子！的例子！然后根据你的实际情况选择相应的例子，我个人建然后根据你的实际情况选择相应的例子，我个人建议大家仔细读懂议大家仔细读懂“NoviceNovice”中的第二个例子中的第二个例子N02N02中在中在 src src 与与 includeinclude 中的每一行语句的含义。中的每一行语句的含义。Geant 4 需要用户告诉探测器的几何是什么？材料需要用户告诉探测器的几何是什么？材料是什么？研究的粒子是什么？物理过程什么？是什么？研究的粒子是什么？物理过程什么？用户需要从用户需要从 Geant4 中得到粒子在反应后或者输运中得到粒子在反应后或者输运后，可以被探测器记
27、录的击中数，末态粒子数，对后，可以被探测器记录的击中数，末态粒子数，对应的四动量，能损大小等等。然后把所有物理量都应的四动量，能损大小等等。然后把所有物理量都转化为电学量，如光电子数，电子学道数等等。转化为电学量，如光电子数，电子学道数等等。2022-11-823小结小结n模拟探测器的必要性模拟探测器的必要性nGeant4 模拟软件包的基本概念模拟软件包的基本概念n安装安装Geant4和设置环境变量和设置环境变量n模拟探测器的简单例子模拟探测器的简单例子n图形显示图形显示n探测器几何和材料的定义探测器几何和材料的定义2022-11-824练习1.修改稿例子N01，加上图形显示。从不同视角查看探
28、测器显示情况。(hints:将N02中的vis.mac复制到N01目录，利用其中关于vis的UICommand命令。)2.修改N01中探测器的物质以及几何形状，在tracker tube的内部中心平行放置一个内径20cm,外径25cm，长度40cm的小圆管，管的材质为硅。3.编译运行N02例子，查看探测器以及物质构造。4.阅读Geant4 Users Guide(for Application Developers)第2.1-2.3节，4.1-4.3节。5.下载Geant4.9.2.p01源码，尝试安装Geant42022-11-825参考资料1.http:/geant4.cern.ch2.Geant4 Users Guide(for Application Developers)第2.1-2.3节，4.1-4.3节。可在http:/ A 506(2003)250-303,and IEEE Transactions on Nuclear Science 53 No.1(2006)270-278.
