GEANT4

Что же такое GEANT4

GEANT4 (сокращенно g4, произносится «джант») — это система библиотек для симуляции прохождения элементарных частиц через вещество. Ее язык — Си++, ее авторы — международная коллаборация при ЦЕРНе. В основном это итальянцы и японцы. Ну и швейцарцы.

По названию может сложиться неверное впечатление, что это четвертая версия некоего продукта. В реальности это результат полной переработки существовавшего до него GEANT3, написанного на Фортране и имевшего ограниченную функциональность и расширяемость. В настоящее время разработка GEANT3 прекращена, только иногда исправляются ошибки. Первая версия GEANT3 появилась в 1974 году в ЦЕРНе, описание физических процессов основано на программах EGS (э/м ливни) и GHEISHA (адронные ливни). Пакет GEANT3 появился в 1982 году и был использован для моделирования детекторов в экспериментах на LEP (CERN). Разработка GEANT4 началась в 1994 году и в 1995 вышла первая версия. Нумерация версий GEANT4 трехуровневая:

1. Сначала идет цифра 4, как символ пакета
2. Далее главный номер релиза (major number, на текущий момент — 7-ая) и номер уровнем ниже, minor number.
3. Затем версия патч-сета, т. е. набора исправлений, не несущих новой функциональности.

В итоге получается нечто вроде geant4.7.0.p01. Первое “боевое” применение GEANT4 – эксперимент BaBar. C 2004 года GEANT4 – основная программа моделирования в экспериментах на LHC (CERN) (кроме ALICE).

Общие концепции программирования для GEANT4

Использование объектно-ориентированной технологии программирования позволяет достигнуть прозрачности при создании различных модулей программы моделирования. Например, способ, которым вычисляются сечения взаимодействия, полностью отделен от способа, которым эти сечения используются, что позволяет легко изменить или расширить физическую модель интересующих нас взаимодействий. Пакет состоит из набора классов, которые можно разделить на следующие категории:

• глобальный (global) – содержит систему единиц, констант, генерацию случайных чисел;
• материалы и частицы (materials & particles) – реализует функции необходимые для описания физических свойств частиц и материалов;
• геометрия (geometry) – реализует описание геометрии системы и эффективности распространения частиц через объекты системы;
• процессы (processes) – содержит модели физических взаимодействий: электромагнитных и адронных;
• треки (track) – реализует функции необходимые для вычисления треков частиц, и передачи требуемой информации чувствительным объемам (детекторам);
• события (events) – управление событиями (запуском начальной частицы и управление всеми образовавшимися вторичными частицами);
• запуск (run) – управление группой событий происходящих при одной и той же конфигурации геометрии системы.

Причем, все классы реализуют заложенную в них базовую функциональность. Это значит что программисту использующему библиотеки GEANT4 необходимо изменять лишь те классы, которые своей начальной функциональностью не соответствуют моделируемой задаче. На практике это значит, что всегда нужно изменять классы ответственные за геометрию системы и применяемые материалы, описание используемых частиц и взаимодействий, сбор данных моделирования, но практически никогда не требуется изменять классы, реализующие самый трудоемкий (в плане программирования) процесс – непосредственный процесс пролета частиц и их взаимодействие с веществом.

Работа программы написанной с использованием библиотек GEANT4 проходит следующим образом:

• конструируется геометрия системы, вычисляются сечения взаимодействия всех используемых частиц со всеми используемыми материалами;
• затем происходит запуск требуемого числа частиц;
• далее идет последовательная обработка движения каждой из частиц – создание трека. При этом движение частицы разбивается на малые шаги;
  • на каждом шаге движения по рассчитанной ранее таблице сечений происходит выбор одного из заданных процессов взаимодействия и его реализация, движение идет до полной потери частицей кинетической энергии;
  • если в процессе взаимодействия образуется вторичная частица, то далее идет создание ее трека по тем же самым принципам, а затем возврат к первичной частице.

Моделирование идет до тех пор, пока не будут обработаны все частицы. На каждом из основных этапов может быть вызвана заданная программистом функция, при этом ей доступна полная информация о состоянии частицы: ее координаты, импульс, потери энергии на последнем шаге и многое другое. Эту информацию и нужно использовать для построения исследуемых зависимостей.

Основные используемые классы изображены на рисунке ниже.

Missing image
Geant4_classes.jpg
Чертеж

Класс RunManager отвечает за общую организацию процесса моделирования.

Класс DetectorConstruction используется для описания геометрии системы и используемых материалов.

С помощью класса PhysicsList указывают используемые частицы и взаимодействия между ними.

Группа классов обозначенная названием UserActions используется для доступа к информации о процессе моделирования на всех этапах:

• RunAction – этап создания геометрии системы, используемых частиц и расчета таблицы сечений;
• PrimaryGenerationAction – этап создания первичной частицы, именно здесь задается тип, начальные направление и энергия частицы;
• EventAction – этап запуска/остановки первичной частицы, обычно используется для инициализации/сохранения гистограмм и первичного анализа;
• TrackingAction – этап начала/конца создания трека частицы, позволяет получить информацию о треке частицы, например длину;
• SteppingAction – самый низший уровень в иерархии, позволяет обрабатывать информацию о каждом шаге движения частицы.

Как сказано выше, библиотека GEANT4 написана с использованием объектно-ориентированной программирования. Таким образом она представляет собой набор классов. Изначально в предоставляемые классы заложена некоторая базовая функциональность. И для того чтобы реализовать с помощью классов GEANT4 собственную систему необходимо унаследовать от необходимых базовых классов свои собственные – пользовательские, и наполнить их необходимой функциональностью. Общее количество классов в библиотеке порядка 700, но это вовсе не значит что каждый раз нужно наследовать и переопределять их все. Например, вовсе не требуется переопределять класс, отвечающий за движение частиц – ведь в любых физических системах движение частиц подчиняется одним и тем же законам (и эти законы изначально заложены в этот класс разработчиками GEANT4). В то же время, нам всегда нужно будет переопределять класс, отвечающий за создание геометрии моделируемой системы. Таким образом, из всего многообразия классов, обычно необходимо переопределить лишь их небольшое количество – обычно не более 7‑8. Поэтому такая организация пакета GEANT4 – а именно, использование ООП – весьма облегчает жизнь программисту, его применяющего.

Обязательными для наследования являются 3 класса:

• G4VUserDetectorConstruction: в этом классе задается геометрия системы и используемые материалы;
• G4VUserPhysicsList: в этом – используемые частицы, и взаимодействия в которых они участвуют;
• G4VUserPrimaryGeneratorAction: в этом классе создаются первичные частицы – задается их тип, направление движения, энергия и т.д.

Также, обычно переопределяют так называемые UserAction-классы – это позволяет выполнять необходимые действия на некоторых этапах моделирования:

• G4UserRunAction: позволяет задать действия в начале/конце run-a. Обычно используют для того, чтобы открыть/закрыть файлы в которые будут сохраняться результаты моделирования;
• G4UserEventAction: позволяет задать действия в начале/конце event-а. Обычно используется для инициализации/сохранения гистограмм и первичного анализа;
• G4UserStackingAction: позволяет задать действия в момент появления вторичных частиц;
• G4UserTrackingAction: позволяет задать действия при начале/завершении движения частицы. Используют, например, для получения такой информации, как длинна трека частицы;
• G4UserSteppingAction: позволяет задать действия выполняемые на каждом шаге движения частиц.

Пару слов о терминологии. Весь процесс моделирования делится на events (события). Каждое событие заключается в испускании первичных частиц и их дальнейшего движения через геометрию системы вплоть до полной остановки этих частиц (и всех образовавшихся вторичных тоже). Процесс движения каждой конкретной частицы от ее появления до остановки называется track. Совокупность событий при неизменной геометрии установки называют run (запуск). Например, если в моделируемой системе есть радиоактивный источник, то каждое испускание проникающей частицы будет событием, а их совокупность (т.е. испускание, скажем, 1 000 000 частиц) – запуском.

Посмотрите на приведенный ниже листинг программы моделирования.

#include "G4RunManager.hh"
#include "DetectorConstruction.hh"
#include "PhysicsList.hh"
#include "PrimaryGeneratorAction.hh"
#include "EventAction.hh"
#include "RunAction.hh"
#include "SteppingAction.hh"
int main()
{
 // (1)
 G4RunManager* runManager = new G4RunManager;
  // (2)
 runManager->SetUserInitialization(new DetectorConstruction);
 runManager->SetUserInitialization(new PhysicsList);
 runManager->SetUserAction(new PrimaryGeneratorAction);
 // (3)
 runManager->SetUserAction(new RunAction);
 runManager->SetUserAction(new EventAction);
 runManager->SetUserAction(new SteppingAction);
  // (4)
 runManager->Initialize();
 // (5)
 runManager->BeamOn(10);
 // (6)
 delete runManager;
 return 0;
}

Приведенный листинг является главной частью программы, но не единственной. Вообще говоря, он составляет весьма малую долю от всего программного кода. Что же в нем выполняется?

• (1) Создается экземпляр (new G4RunManager) класса, выполняющего функции общего контроля и управления процессом моделирования. Методы этого класса позволяют, например, подключать класс ответственный за геометрию системы, производить непосредственный запуск моделирования.
• (2) Создаются экземпляры обязательных для наследования (переопределения ) классов:

new DetectorConstruction (геометрия),
new PhysicsList (физические процессы и частицы),
new PrimaryGeneratorAction (первичные частицы).

• (3) Создаются экземпляры некоторых UserAction-классов – необходимы для сбора и сохранения данных о ходе процесса моделирования.

Как видно, все экземпляры классов, созданных в пунктах 2-3, подключаются к главному (управляющему) классу. Таким образом он “знает” о всех аспектах моделируемой системы.

• (4) Начальная инициализация процесса моделирования. При этом выполняется, например, построение таблиц сечений.
• (5) Все предварительные действия выполнены – можно начинать моделирование. Метод BeamOn() вызывает генерацию 10 событий.
• (6) Освобождается занимаемая память и происходит выход из программы.

Что он может

Работа с GEANT4 сводится к написанию программ на Си++, связывающих компоненты geant между собой определенным образом, моделирующим некоторую реальную систему. GEANT затем запускает свой движок Монте-Карло, и прогоняет элементарные частицы через вашу систему.

Описание геометрии

Geant4 позволяет на очень детальном уровне описывать геометрические характеристики экспериментальной системы. В ядре GEANT4 находится совместимый с CAD-системами (он соответствует стандарту ISO STEP) 3D твердотельный симулятор, которым можно управлять как программно, так и скармливая ему файлы с описанием сцены. В это описание входит задание простейших тел, из которых состоят сложные объекты и сопоставление им конкретных материалов. Материалы также можно описывать произвольно.

Физические процессы

Реальные физические процессы, участвующие в «опыте» можно выбирать по одному или целыми предустановленными пакетами. Например, все электромагнитные процессы для средних энергий. Для многих из них существует несколько программных реализаций — например, сечения берутся из аналитических расчетов, или из баз данных, или для разных областей энергии.

Визуализация

GEANT4 поддерживает большое количество различных способов визуализации своей работы: от OpenGL вывода 3D-картинки во время расчета, до создания postscript'а с чертежом установки.

Ссылки

1. Домашняя страничка GEANT3 (http://wwwasd.web.cern.ch/wwwasd/geant/)
2. Сайт GEANT4 (http://geant4.web.cern.ch/geant4/)