探测器构建

G4 探测器构建顺序

几何体 -> 逻辑体 -> 物理体

• 几何体
  • 形状
• 逻辑体
  • 材料
• 物理体
  • 位置

用户必须继承抽象基类 G4VUserDetectorConstruction 来实现探测器的定义

• 必须实现的纯虚函数是G4VPhysicalVolume* Construct();
  • 作用：定义空间中所有的探测器
• 虚函数 Void ConstructSDandField();
  • 作用：定义电磁场、选择数据输出的灵敏体。

以下几点要求是多年经验的总结，目的在于提高代码可读性，方便修改。

为了代码的规范及可重复性，我们这里将材料的定义、探测器的定义分离成两个函数。

参数的定义建议放在函数头部部分，方便对数值的修改。

G4LogicalVolume，G4VPhysicalVolume 类对象的声明放在 hh 文件中。

下面是可视化界面的颜色设置示例，只要修改 G4Colour 中 RGB 三原色的比例即可，数值均为 [0.0,1.0]。对哪一个探测器设置颜色就仿照示例进行修改即可。

材料定义

参考 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Detector/material.html

在自然界中，一般材料（化合物、混合物）由元素构成，元素由同位素构成。因此，这是 Geant4 中设计的三个主要类(G4Isotope/G4Element/G4Material)。每个类都有一个表作为静态数据成员，用于跟踪各个类创建的实例。所有三个对象在构造时都会自动注册到相应的表中，并且永远不应该在用户代码中删除它们。

G4Isotope/G4Element/G4Material 这三个类 new 的对象，不需要 delete

G4Materrial 材料只要一定义，就放置在一个全局的容器内，随时可以拿来使用。

构造元素

//定义元素，方法一
G4Element *H = new G4Element("Hydrogen", "H" , 1., 1.01*g/mole);
//定义元素，方法二
G4NistManager *man = G4NistManager::Instance();
G4Element *N = man->FindOrBuildElement("N");//采用天然丰度
G4Element *O = man->FindOrBuildElement("O");

构造材料

单质

G4Material* lAr = new G4Material("liquidArgon", 18., 39.95*g/mole, 1.390*g/cm3);

分子/混合物

G4Material *pVacuum = new G4Material("Vacuum", 1.29e-10*mg/cm3, 2, kStateGas,
                                              0.1*kelvin, 1.e-19*pascal);

pVacuum->AddElement(N, 7);//注意这里是整型
pVacuum->AddElement(O, 3);//表示原子个数比

//或者

pVacuum->AddElement(N, 70.*perCent);//注意这里是浮点型
pVacuum->AddElement(O, 30.*perCent);//表示质量占比

//原子个数比还是质量比，设置方式需要非常小心!

// define a material from elements and/or others materials (mixture of mixtures)
density = 0.200*g/cm3;
G4Material* Aerog = new G4Material(name = "Aerogel", density, ncomponents = 3);
Aerog->AddMaterial(SiO2, fractionmass = 62.5*perCent);
Aerog->AddMaterial(H2O , fractionmass = 37.4*perCent);
Aerog->AddElement (elC , fractionmass = 0.1*perCent);

// examples of gas in non STP conditions
density     = 27.*mg/cm3;
pressure    = 50.*atmosphere;
temperature = 325.*kelvin;
G4Material* CO2 = new G4Material(name = "Carbonic gas", density, ncomponents = 2,
                                     kStateGas, temperature, pressure);
CO2->AddElement(elC, natoms=1);
CO2->AddElement(elO, natoms=2);

对于常见的材料，G4已经封装好，直接调用即可

更多材料信息可访问 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Appendix/materialNames.html#g4matrdb

G4NistManager* man = G4NistManager::Instance();
G4Material * pAir = man->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");
G4Material *pSi = man->FindOrBuildMaterial("G4_Si");

参考代码

void wuDetectorConstruction::DefineMaterials()
{ 
  //在这里先定义所有可能用到的材料
  // Get nist material manager
  G4NistManager* nist = G4NistManager::Instance();

  //注册G4自身定义好的材料
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_Galactic");//真空
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_Ge");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_Pu");
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_H");
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_Al");
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_lH2");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_lN2");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_lO2");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_lAr");//Liquid argon
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_Be");
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_WATER");
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_WATER_VAPOR");//水蒸气
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_POLYETHYLENE");//聚乙烯
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_BGO");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_CARBON_DIOXIDE");//二氧化碳
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_LEAD_OXIDE");//氧化铅
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_MYLAR");//mylar膜
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_PLEXIGLASS");//有机玻璃
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_STAINLESS-STEEL");//不锈钢
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_LUCITE");//透明合成树脂(有机玻璃)
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_CONCRETE");//混凝土
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_GRAPHITE");//石墨
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_SILICON_DIOXIDE");//二氧化硅
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_RUBBER_NATURAL");//天然橡胶
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_PbWO4");//
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_URANIUM_OXIDE");//氧化铀 
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_URANIUM_MONOCARBIDE");//碳化铀
  nist->FindOrBuildMaterial("G4_URANIUM_DICARBIDE");//二碳化铀
  // 更多预定义材料请看说明书 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Appendix/materialNames.html#g4matrdb


  // 注册G4自身定义好的 elements，采用天然丰度
  G4Element* H = nist->FindOrBuildElement("H",false);//1
  G4Element* Li = nist->FindOrBuildElement("Li",false);//3
  G4Element* C = nist->FindOrBuildElement("C",false);//6
  G4Element* N = nist->FindOrBuildElement("N",false);//7
  G4Element* O = nist->FindOrBuildElement("O",false);//8
  G4Element* Mg = nist->FindOrBuildElement("Mg",false);//12
  G4Element* Al = nist->FindOrBuildElement("Al",false);//13
  G4Element* Si = nist->FindOrBuildElement("Si",false);//14
  G4Element* P = nist->FindOrBuildElement("P",false);//15
  G4Element* S =  nist->FindOrBuildElement("S",false);//16
  G4Element* Cr = nist->FindOrBuildElement("Cr",false);//24
  G4Element* Mn = nist->FindOrBuildElement("Mn",false);//25
  G4Element* Fe = nist->FindOrBuildElement("Fe",false);//26
  G4Element* Ni = nist->FindOrBuildElement("Ni",false);//28
  G4Element* I = nist->FindOrBuildElement("I",false);//53
  G4Element* Cs = nist->FindOrBuildElement("Cs",false);//55
  G4Element* Ce = nist->FindOrBuildElement("Ce",false);//58

  // 同位素构建元素，用来调整材料丰度
  G4Isotope* U4 = new G4Isotope("U234",92,234,234.02*g/mole);
  G4Isotope* U5 = new G4Isotope("U235",92,235,235.01*g/mole);
  G4Isotope* U6 = new G4Isotope("U236",92,236,236.04*g/mole);
  G4Isotope* U8 = new G4Isotope("U238",92,238,238.03*g/mole);
  G4Element* HEU58 = new G4Element("Highly-enriched Uranium 58", "HEU58", 2);
  HEU58->AddIsotope(U5, 0.93);
  HEU58->AddIsotope(U8, 0.07);

  G4Element* HEU4568 = new G4Element("Highly-enriched Uranium 4568","HEU4568",4);
  HEU4568->AddIsotope(U4,0.0097);
  HEU4568->AddIsotope(U5,0.9315);
  HEU4568->AddIsotope(U6,0.0024);
  HEU4568->AddIsotope(U8,0.0564);

  //---------------------------------------------------------------------------------

  // Scintillator(BC408) 塑闪 
  G4Material* BC408 = new G4Material("BC408", 1.032*g/cm3, 2);
  BC408->AddElement(H, 11);BC408->AddElement(C, 10);
  // BC408->AddElement(H, 10);BC408->AddElement(C, 9);

  // LiquidScint(NE213) 液闪 
  G4Material* NE213 = new G4Material("NE213",0.874*g/cm3,2);
  NE213->AddElement(H,1212);
  NE213->AddElement(C,1000);

  // He-3 detector materials
  G4Material* matHe3  = new G4Material("He3",  2., 3.*g/mole, 0.00049*g/cm3, kStateGas);

  // Uranium material
  G4Material* matHEU58 = new G4Material("HEU58", 19.1*g/cm3, 1, kStateSolid);
  matHEU58->AddElement(HEU58, 1.00);

  G4Material* matHEU4568 = new G4Material("HEU4568",18.75*g/cm3,1);
  matHEU4568->AddElement(HEU4568, 1.0);


  G4Material* matSteel = new G4Material("Steel",7.788*g/cm3,9);
  matSteel->AddElement(Fe,62.1805*perCent);
  matSteel->AddElement(Cr,20.26*perCent);
  matSteel->AddElement(Mn,9.37*perCent);
  matSteel->AddElement(Ni,7.5*perCent);
  matSteel->AddElement(Si,0.34*perCent);
  matSteel->AddElement(N,0.29*perCent);
  matSteel->AddElement(C,0.04*perCent);
  matSteel->AddElement(P,0.018*perCent);
  matSteel->AddElement(S,0.0015*perCent);


  // Print materials，运行时在终端输出材料信息
  G4cout << *(G4Material::GetMaterialTable()) << G4endl;
}

构造几何体

参考 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Detector/Geometry/geomSolids.html

几何体的名字虽然允许出现相同的情况，但是不建议使用相同的名字。

查阅说明书，基本几何形状可直接创建，需要特别注意的地方：长度是全长还是半长表示。使用哪个几何体，则在 wuDetectorConstruction.cc 文件中添加相应的头文件。

以下是最常用的几何，长方体、柱状/管状、球/球壳等。

G4Box *pSolidWorld= new G4Box("solidWorld",0.5*10*cm,0.5*10*cm,0.5*10*cm);

布尔运算生成几何体

简单几何体可以在说明书中直接找到它的使用方法。很多时候探测器的形状不在基本的几何体库中，这种情况就需要使用者通过布尔运算来构建所需要的几何体了。G4几何体构建中支持的布尔运算有：union, intersection, subtraction。参与运算中的第二个几何体可以进行平移、旋转等操作。

G4Box*  box =
  new G4Box("Box", 20*mm, 30*mm, 40*mm);
G4Tubs* cyl =
  new G4Tubs("Cylinder", 0, 50*mm, 50*mm, 0, twopi);  // r:     0 mm -> 50 mm
                                                 // z:   -50 mm -> 50 mm
                                                 // phi:   0 ->  2 pi
G4UnionSolid* union =
  new G4UnionSolid("Box+Cylinder", box, cyl);
G4IntersectionSolid* intersection =
  new G4IntersectionSolid("Box*Cylinder", box, cyl);
G4SubtractionSolid* subtraction =
  new G4SubtractionSolid("Box-Cylinder", box, cyl);

G4RotationMatrix* yRot = new G4RotationMatrix;  // Rotates X and Z axes only
yRot->rotateY(M_PI/4.*rad);                     // Rotates 45 degrees
G4ThreeVector zTrans(0, 0, 50);

G4UnionSolid* unionMoved =
  new G4UnionSolid("Box+CylinderMoved", box, cyl, yRot, zTrans);

G4RotationMatrix invRot = yRot->invert();
G4Transform3D transform(invRot, zTrans);
G4UnionSolid* unionMoved =
  new G4UnionSolid("Box+CylinderMoved", box, cyl, transform);

以上两种方法基本能满足大部分的探测器构建需要，特别大规模或者形状复杂的还可以通过三维软件构造，然后 STL 格式图纸导入的方式。

构造逻辑体

参考 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Detector/Geometry/geomLogical.html

G4LogicalVolume (
                  G4VSolid *pSolid, 
                  G4Material *pMaterial, 
                  const G4String &name, 
                  G4FieldManager *pFieldMgr=0, 
                  G4VSensitiveDetector *pSDetector=0, 
                  G4UserLimits *pULimits=0,
                  G4bool optimise=true)
// 参数：几何体，材料，逻辑体名字， 电磁场，灵敏探测器，截断，优化
// 其中 几何体，材料，逻辑体名字 三个必须指定

这里要求每个逻辑体的名字必须唯一，这样方便后期的数据处理。

构造物理体

参考 https://geant4-userdoc.web.cern.ch/UsersGuides/ForApplicationDeveloper/html/Detector/Geometry/geomPhysical.html

G4PVPlacement (
               G4RotationMatrix *pRot,
               const G4ThreeVector &tlate,
               G4LogicalVolume *pCurrentLogical,
               const G4String &pName, 
               G4LogicalVolume *pMotherLogical,
               G4bool pMany, 
               G4int pCopyNo, 
               G4bool pSurfChk=false)
// 参数：旋转，平移，逻辑体，本物理体名字，母体，（无用参数），拷贝号，重叠检查

• 最重要的参数是 pMotherLogical，后面介绍
• 参数 pRot 对象设置后不要修改（在程序中只以最后一次赋值为准）
• 参数 tlate 用来设置它的空间位置
• 物理体名字 pName 建议与它的逻辑体名一致
• 拷贝号 pCopyNo 这里我们不用
• 最后一个参数 pSurfChk 检查是否存在重叠，这个变量开启，如果有几何体重叠，程序运行中会给出提示

多个物理体可以共用同一个逻辑体，然后通过不同的拷贝号来区分。这在同一个型号的探测器有几千上万的情况下显得特别必要（因为重复 new 那么多对象需要占用非常大的内存，而且初始化它们所需要的时间也很长，而它们仅仅名字不一样）。但是对于我们一般的模拟来说，创建的逻辑体不会太多，为了方便后期的数据处理，建议每个探测器创建各自的逻辑体和物理体，且逻辑体和对应的物理体用相同的名字。

物理体之间的层级结构

问题：如何将物理体A放入物理体B的内部？

• 物理体A：Si
• 物理体B：C

物理体A与物理体B的重叠部分：？

Geant4:嵌套模型(盒子模型)

• 先定义母体 B，其材质为碳；
• 再定义子体 A，其材质为硅，并声明其母体为 B。
• 那么两者重叠区域材质最终由子体确定。

G4中，所有的物理体必须被指定母体。对于最外层的物理体，其母体为空，此物理体称为“World”。

思考

对于一个正面 48 条，条宽 1mm，条缝隙 0.1mm；背面 128 条，条宽 1mm，条缝隙 0.1mm 的双面硅微条。安装在束流方向 45度，探测器中心距离靶点 15 cm 的位置。

为了模拟粒子最终沉积在哪一个像素，因此在几何构造的时候，需要构造 48x128 个像素。如何构造?

阵列创建示例

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2024年 04月 21日 星期日 19:42:12 CST

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