程序框架

• 本教程目的在于教授 G4 的基本运行原理，以及如何快速应用自己的科研中
• 刻意放弃一些类（功能）的使用，例如数据存储中的 hist 等等
• 模拟与数据处理分离
  • 为何模拟与数据处理必须分离？
  • G4程序只负责模拟部分（一次运行）
  • 基于 MakeClass 等框架的数据分析（可重复处理）
  • 创建几何体的过程中，多用可视化界面检查

运行需要的基本类

• DetectorConstruction: 继承自 G4VUserDetectorConstruction
• PhysicsList: 继承自 G4VModularPhysicsList
• ActionInitialization: 继承自 G4VUserActionInitialization
  • PrimaryGeneratorAction: 继承自 G4VUserPrimaryGeneratorAction
  • RunAction:继承自 G4UserRunAction
  • EventAction:继承自 G4UserEventAction
  • TrackingAction:继承自 G4UserTrackingAction
  • SteppingAction:继承自 G4UserSteppingAction
  • StackingAction:继承自 G4UserStackingAction

其中，DetectorConstruction，PhysicsList，ActionInitialization，PrimaryGeneratorAction 四个类不可缺少，其余几个类根据情况选择使用。

使用者必须熟练掌握探测器的几何设置 DetectorConstruction 和粒子源的设置 PrimaryGeneratorAction 两个类。

单位系统

G4可以进行单位换算，实质上是一些全局变量（G4SystemOfUnits.hh）

• 长度：um, mm, cm, m, km
• 能量：eV, keV, MeV
• 质量：mg, g, kg
• 摩尔质量: mole,
• 体积：mm3, cm3, m3, km3
• 时间：ns, s
• 电荷量：eplus

其中，默认单位为：mm, MeV, g, mole, ns, eplus，即如果没有写单位，则为默认单位。

为了方便代码阅读，我们要求在数字后面指定单位。

例如:

double x = 5.0*m;
double y = 4.0*m;
double z = 3.0*m;

对于输出数据，采用默认单位进行输出。如果要进行单位转换，只需要除以相应的单位即可。

例如:

G4cout << KineticEnergy/keV << " keV";
G4cout << density/(g/cm3)   << " g/cm3";

• Run 是 GEANT4 最大的模拟单元。
• G4MTRunManager::Initialize() 调用后，初始化 G4 内核
• G4MTRunManager::BeamOn() 调用后，开始一次 G4Run

• 一次 BeamOn 调用就是一次 G4Run; 一次 G4Run 过程中，探测器设置和物理过程不可修改。
• BeamOn(1000) : 一次 G4Run 中，发射 1000 个事件（G4Event）
• 一个粒子的产生到该粒子停止追踪，径迹信息由同一个 G4Track 记录
• 在一个步长中，粒子信息该变量由 G4Step 记录

• G4Step 类包括两个“点”：PreStepPoint，PostStepPoint（对应类均为 G4StepPoint）。
• PreStepPoint 容纳物理过程发生前该粒子的状态（动能，电荷量等），
• PostStepPoint 容纳物理过程发生后该粒子的状态。
• G4Step 中保存的是这两“点”的粒子属性改变量（deltaE 等）

• 步长：由该 step 的物理过程决定。

• 边界：step 不能穿过两个物理体的边界，即边界上必须存在一个 steppoint。此时 step 的 status 为 fGeomBoundary

• G4Track：定义为粒子当前的状态（与 PostStepPoint 容纳的信息一致）。

• 每个 G4Step 调用后，G4Track 信息更新。
• Track ID: ID 编号从 1 开始，每个 track 中也记录其父粒子的 track ID。
• 初级粒子（particlegun 发射的粒子）的父粒子 Track ID 为 0

提取物理量的接口：UserAction, G4VSensitiveDetector

• G4UserSteppingAction
  • UserSteppingAction(const G4Step*)
• G4UserTrackingAction
  • PreUserTrackingAction(const G4Track *)
  • PostUserTrackingAction(const G4Track *)
• G4UserEventAction
  • BeginOfEventAction()
  • EndOfEventAction()
• G4UserRunAction
  • BeginOfRunAction()
  • EndOfRunAction()

Example :

• RunAction ：记录并输出程序运行时间、创建文件
• EventAction : 输出进度、SD 得到该事件的所有数据
• TrackingAction : 输出每个 track 的初始信息、遗传标记、杀死次级粒子
• SteppingAction : 获得该 step 的所有数据

!jupyter nbconvert FRAME.ipynb --to html

[NbConvertApp] Converting notebook FRAME.ipynb to html

[NbConvertApp] Writing 567070 bytes to FRAME.html