Доклад ЛП ЖУНИОР. Слайд 2 Geant4
 Скачать 25.66 Kb.
|
|
СЛАЙД 2 Geant4 (англ. GEometryANdTracking — геометрия и трекинг)— это программный пакет для моделирования прохождения элементарных частиц через вещество с использованием методов Монте-Карло. СЛАЙД 3 программный комплекс, состоящий из компонентов, которые используются для моделирования физических процессов в таких областях науки, как ядерная физика, космология, физика элементарных частиц и др. Класс RunManager отвечает за основную организацию процесса моделирования. Класс DetectorConstruction применяется для описания геометрии системы и используемых материалов мишени и детектора. С помощью класса PhysicsList задают используемые частицы и взаимодействия между ними. Несколько классов под названием UserActions используется для получения информации о процессе моделирования на всех этапах[1]: RunAction – начальный этап, на котором создаются геометрия системы, определяются используемые частицы и рассчитывается таблица сечений; PrimaryGenerationAction – этап создания первичной частицы, именно здесь задается тип, энергия частицы и начальное направление; EventAction – этап запуска/остановки первичной частицы, в основном используется для инициализации/сохранения гистограмм и первичного анализа полученных данных; TrackingAction – этап начала/конца создания трека частицы, позволяет получить информацию о треке частицы, например длину; SteppingAction – позволяет обрабатывать информацию о каждом шаге движения частицы. СЛАЙД 3 suite 1. Генерация первичных частиц. За создание первичных частиц отвечает класс G4PrimaryGeneratorAction, в котором существует возможность задавать тип, свойства, а также форму пучка. 2. Задание чувствительных областей геометрии, при попадании частиц в которые будет происходить анализ их движения. Эти операции можно определить посредством класса G4SensitiveDetector. СЛАЙД 4 Для изучения процесса транспорта частиц в веществе наиболее подходящим способом является метод Монте-Карло. Метод специализирован для изучения заданной статистики при проведении большого количества выборок, в связи с этим, способ существенно нагружает оборудование вычислительной техники. При проведении исследований методом Монте-Карло машина генерирует псевдослучайные числа, имитируя данные из изучаемой генеральной совокупности. После проведения большого числа повторений, выходные данные достаточно точно имитируют реальное распределение выборочной статистики. В тех случаях, когда обычная теория выборочных распределений оказывается недейственной, метод Монте-Карло позволяет получать достаточно точные данные этих распределений. Процесс включает следующие этапы[2]: 1. Определение алгоритма или модели, которые позволят наиболее точно описать поведение исследуемой системы. 2. Многократное применение модели с использованием генератора случайных чисел для получения выходных данных модели (моделирование системы). СЛАЙД 5 Моделирование детектора реализовано с помощью программного пакета Geant4. 3.1.1.Коды моделирования Geant4 В настоящих расчетах использовалась последняя версия Geant4-10.04.patch2. В ней взаимодействие нейтронов входит в адронные процессы (упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват и деление). Для проверки результатов моделирования распространения нейтронов в веществе первоначально была подключена модель QGSP_BIC_HP, которая содержит все необходимые физические процессы для первичных и вторичных частиц. Перенос нейтронов в Geant4 управляется пакетом частиц particlehp (англ. particle high precision). Данный пакет работает для нейтронов в области энергии ниже 20 МэВ. Для высоких энергий рекомендуется использовать модель QGSP_BIC, она понадобится в дальнейшей работе для моделирования нейтронов космических лучей. Для нейтронов с энергией < 4 эВ, помимо модели свободного газа (англ. free gas) Geant4включает модель связанного атома (англ. bound-atom). Список QGSP_BIC_HP похож на QGSP_BIC с добавлением использования пакета высокоточных нейтронов, управляемых данными (NeutronHP), для переноса нейтронов ниже 20 МэВ до тепловых энергий. Исходные данные для моделирования взаимодействия нейтронов в указанной модели генерируются из библиотек ENDF/В-VII. СЛАЙД 6 Создание модели нейтронного детектора в Geant4 Конструкция детектора показано на (рисунок 2а) является стандартной для нейтронных детекторов с той лишь разницей, что в нем используется специализированный тонкий сцинтиллятор. В основании светонепроницаемого корпуса (промышленной полиэтиленовой бочки объемом 200 л с высотой 570 мм и диаметром 740 мм) расположен неорганический сцинтиллятор ZnS(Ag)( Сульфид цинка) для детектирования альфа-излучения + 6LiF(Фторид лития) в виде тонкого слоя, который просматривается одним фотоумножителем (ФЭУ-200) с диаметром фотокатода 15 см. Для улучшения светосбора используется светоотражающий конус из фольгированного вспененного полиэтилена толщиной 5 мм. Модель детектора в Geant4 показано на (рисунок 2б). СЛАЙД 7 Создание модели нейтронного детектора в Geant4 Модель детектора в Geant4 (рисунок 2б) была создана следующем образом На первом этапе была задана геометрия с учетом реальных размеров и состава материалов всех частей детектора. Были прописаны оптические свойства всех материалов. Для сцинтиллятора заданы следующие параметры: спектр излучения, коэффициент преломления, длина поглощения, световыход и время высвечивания. Для воздуха и полиэтилена заданы коэффициенты преломления. Диапазон энергий фотонов соответствует области чувствительности ФЭУ-200. На рисунке 3 показан процесс сцинтилляции при регистрации нейтрона детектором. На втором этапе были подключены все нужные физические процессы для первичных и вторичных частиц (ионизационные потери, радиационные потери, рождение пар, рассеяние и т.д.). Для нейтронов заданы следующие процессы: G4HadronElasticProcess – процесс для модели рассеяния тепловых нейтронов; G4NeutronHPElastic – модель, рекомендуемая для нейтронов с энергией ниже 20 МэВ; G4NeutronHPThermalScattering – модель связанного атома – моделирование взаимодействия тепловых нейтронов с химически связанными ядрами атомов; G4NeutronHPThermalScatteringData – библиотеки данных для модели связанного атома. Для рассеяния нейтронов в замедляющей среде необходимо написать состав среды так, как это указывается в классе G4NeutronHPThermalScatteringNames.cc. Например, в случае водной среды водород описывается специальным образом “TS_H_of_Water”. Также необходимо задать температуру и физическое состояние, например – «жидкость» “kStateLiquid”. В настоящее время библиотека данных включает в 20 материалов, обычно используемых в физике реакторов. На третьем этапе был создан генератор частиц с помощью “G4ParticleGun”,который позволяет запускать первичные частицы со спектром, близким к реальному. СЛАЙД 8 В этом примере моделируется прохождение γ-квантов с энергией 6 МэВ через мягкие ткани и кость человека, помещённые в водную среду. cd /home/user/geant/ cp -r geant4.10.00.p02/examples/basic/B1 ./ mkdir B1-build cd B1-build/ . /home/user/geant/geant4.10.00.p02-install/bin/geant4.sh С использованием графического интерфейса OpenGL: cmake -DWITH_GEANT4_UIVIS=ON -DGeant4_DIR=/home/user/geant/geant4.10.00.p02-install/lib/Geant4-10.0.2/ ../B1 make cd /home/user/geant/B1-build/ ./exampleB1 После запуска видим приглашение. Запустим в нём процесс моделирования пролёта частиц. Для того, чтобы просчитать траектории 10 частиц вводим: Idle> /run/beamOn 10 Если используется графический интерфейс, в нём должны появиться траектории 10 частиц. СЛАЙД 9 Как видим, кроме зелёных траекторий исходных частиц появились ещё и красные траектории частиц, образовавшихся в результате взаимодействия исходных частиц со средой. Разными цветами GEANT4 показывает частицы разного заряда. Так траектории положительно заряженных частиц отображаются синим цветом, отрицательно заряженных – красным, а нейтральных зелёным. Полученное изображение можно экспортировать в файл. Для интерфейса OpenGL это делается так: Idle> /vis/ogl/printEPS File G4OpenGL_0.eps has been saved А можно преобразовать в какой-нибудь другой формат. Например, convert G4OpenGL_0.eps G4OpenGL_0.png СЛАЙД 10 Области применения GEANT4 включают в себя: физику высоких энергий и исследование ядерных реакций, медицину, ускорители частиц и космические физические исследования. Программное обеспечение используется во многих исследовательских проектах по всему миру, в том числе и в России. Базовой средой для запуска GEANT4 является Scientific Linux, однако существует совместимость с другими системами как на базе Linux, так и Microsoft Windows. В настоящее время задача моделирования взаимодействия излучения с веществом (тяжелых заряженных частиц, протонов, нейтронов, электронов, гамма-квантов, мюонов) является актуальной во многих направлениях научных исследований. Метод Монте-Карло, реализованный в GEANT4, даёт возможность рассчитывать случайные процессы - взаимодействие частиц и прохождения их через детектор, не прибегая к решению сложных интегро-дифференциальных уравнений 1 Allison J. Geant4 Developments and Applications, IEEE Trans. Nucl. Sci., vol. 53, no. 1, pp. 270-278, 2006. 26 Desorgher, L. Implementation of the reverse/adjoint Monte Carlo method into Geant4 / L. Desorgher, F. Lei, G. Santin // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. A.– 2010.– V. 621.– P. 247–257. |