Geant4 综合模板

几年前在 Geant4 示例中我介绍了 Windows 下 Geant4 的安装与示例。今天分享一个 Geant4 综合模板，帮助快速开始一个项目，实现了以下功能：

构建模块化的 TAS 探测器
统计模拟过程中的核反应信息，包括类型、反应道、产物能量分布、伽马射线母核统计等 (1, 2)
利用 Sensitive Detector 统计粒子在探测器中的沉积能量 (3)
通过 Analysis Manager 保存数据到 ROOT 文件 (4, 5)

模板的核心功能时序图如下：

sequenceDiagram
autonumber
par
    RunManager->>RunStat: Initialization
and
    RunManager->>AnalysisManager: Initialization
end
RunManager->>+Run: Begin run
rect rgb(200, 150, 255)
Run->>SD: Initialization
end
loop Number of particles
    Run->>+Event: Primary Generator
    Event->>+Step: Particle Transport
    loop Particle alive
        rect rgb(191, 223, 255)
        alt Have secondary particles
            Step-->>RunStat: Reaction information
        else In SD
            Step-->>SD: Step information
        end
        end
        Step->>Step: Particle Transport
    end
    Step->>-Event: E = 0 or been absorbed
    rect rgb(200, 150, 255)
    SD-->>AnalysisManager: SD statistics
    end
    Event->>-Run: End event
end
AnalysisManager-->>Output: Data file (root format or others)
Run->>-RunManager: End run
RunStat-->>Output: Reaction statistics

主要功能 ¶

SD，Hits 与 Analysis Manager¶

Sensitive detector 和 Hits 是 Geant4 中的重要工具，用于统计粒子径迹在我们感兴趣的区域沉积的能量。在模板中，我们定义了一个 Sensitive detector: TemplateSD，用于划定感兴趣的区域；以及一个 Hits 类: TemplateHit，用于记录所需要的信息（例如沉积能量、粒子类别、名称等）。

由于不同人员的需求以及工具喜好不同，Geant4 并没有提供一个完备的数据分析工具，但是通过 G4AnalysisManager 实现了对于数据的管理。数据可以分为两类：n-tuple 和 histogram，前者类似于表格，行是每一个事件，列是各种物理信息；后者是对于某一物理量的统计，例如能量分布、角度分布等。G4AnalysisManager 类是线程安全的，并且可以自动合并多线程的数据。(5)

TemplateSD::ProcessHits 函数将 TemplateHit 的信息收集到 TemplateHitsCollection 中，随后在 EventAction::EndOfEventAction 函数中读出，并且通过 analysisManager（G4AnalysisManager 类的实例）保存，最后在 RunAction::EndOfRunAction 中输出到 ROOT 文件中。

核反应统计 ¶

统计的过程完全发生在 SteppingAction::UserSteppingAction 方法中，并定义了 RunStat 类进行协助。RunStat 类的主要功能是记录核反应的信息（例如反应类型、反应道与 Q 值）以及核反应产物的信息（例如产物能量、数量，以及伽马射线的母核统计），这些信息在 RunStat::print 中输出到日志文件中，同时也保存在 analysisManager 中。

示例 ¶

探测器构建 ¶

靶
- $\Phi$ 15 mm
- 样品: 100% $^{98}\mathrm{Mo}$ , 1.5 um 绿色 (红色)
- 衬底: Al, 5 um 绿色 (蓝色)
探测器
- Si: 10 mm $\times$ 10 mm $\times$ 3 mm (白色)
- BGO: 100 mm $\times$ $\times$ 100 mm $\times$ $\times$ 200 mm, 六边形
  - 中心：束流孔 $\Phi$ 40 mm (黄色，1 个)
  - 外层 (灰色，总计 6 个)
屏蔽
- PEEK: $\Phi$ 20 ~ 35 mm, 200 mm 长 (青色)
- Pb: 50 mm 厚 (绿色)

探测器侧视图

核反应统计 ¶

入射粒子为 13 MeV 的质子，反应主要以库伦散射为主，质子非弹主要以 $^{98}\mathrm{Mo}$ 的 (n,p) 反应为主，产物为 $^{98}\mathrm{Tc}$

>>> Process calls frequency:
         CoulombScat =     103207
     Radioactivation =       2522
        ...

>>> List of nuclear reactions: 
                         As75[264.658] --> N gamma or e- + As75 / Radioactivation:       1   Q =      264.658 keV
                         ...
                                                   gamma --> N gamma or e- / phot:  121754   Q =     -249.463 eV 
                                          gamma --> gamma + N gamma or e- / compt:   46219   Q =            0 eV 
                                          ...
               proton + Mo98 --> N gamma or e- + neutron + Tc98 / protonInelastic:    5106   Q =     -3.47829 MeV
               ...

>>> List of generated particles:
               As75 :        18  Emean =      9.91766 eV 	(  501.954 meV -->  15.9164 eV )
               ...

>>> List of gamma parents:
     0 :            Tc98 up
     ...