Geant 4 的一个坑

本文主题在 Geant 4 的官方论坛讨论在此. 感谢论坛用户 maire 没有它的提醒我现在还没走出代码苦海.

遇到问题

因为给最近在学习 Geant 4, 在老师的要求下准备写一个程序模拟获得质子行进的 $\frac{\mathrm{d}𝐸}{\mathrm{d}𝑥}$ 数据, 一开始我直接记录下每个 Step 的能量损失以及 PostStepPoint 对应的坐标. 然后对于质子穿透范围划成多个 bin, 将能量沉积填入其中.

但是事与愿违: 我得到了这样的直方图:

^图 1最初得到的能量沉积直方图

它不正常, 一个质子行进的 $\frac{\mathrm{d}𝐸}{\mathrm{d}𝑥}$ 作图应该表现为单峰结构: Bragg Peak. 但是可以看到在$𝑥=5\mathrm{c}\mathrm{m}$ 上出现一个峰值.

OK, 出现了问题就去找问题.

寻找源头

理应$𝑥=5\mathrm{c}\mathrm{m}$附近不会有任何特殊性质, 至少在我的代码中 – 说明问题出在 Geant 4, 我有什么地方用错了! 于是作图寻找什么与我的预期不一致:

^图 2提示模拟结果存在不一致的步长分布

这两张图是我觉得提示了不一致的地方:

• 步长比我想象中的长, 我预期 $1\mathrm{c}\mathrm{m}$ 长度会有数十次碰撞, 但是 Geant 4 追踪出现了数厘米的长度的 Step.
• 步长被截断, 在 $5\mathrm{c}\mathrm{m}$ 附近.

OK, 问题成因就很容易了解了, 因为有相当事例的 Step 跨越了多个 bin, 并且有相当部分因为截断堆在了一起, 造成了一个 bin 取值很大.

查看源代码研究 hIoni 过程究竟怎么定义的

云里雾里的看了这里的众多代码 (点名批评 VScode, 打开这个代码, 看一会, 我的内存就没了), 勉强有了头绪.

• G4hIonisation 的基类是 G4VContinuousDiscreteProcess, 既包含连续过程又包含离散过程
• G4hIonisation 能量损失计算还是 G4BetheBlochModel 来计算

那么我们就对于 G4hIonisation 的行为有了一些图像了:

• 它通过 Bethe-Bloch 模型计算能量损失, 这是连续的(每厘米数十次碰撞体现在此处), 但是大多数碰撞损失能力很小, Geant 4不关心
• 对于能量较高的次级粒子, 比如$𝛿$-电子, 采取离散过程, 调用 SteppingAction, 这里我设置的 Hook 才会被调用, 而记录数据.

怎么平均?

现在我期望将跨越多个 bin 的数据平均到其跨越的每个 bin, 可惜, 这件事情很麻烦, 因为 CERN ROOT 遍历一个 Tree 不是很方便(你可以很轻松的从 Tree 中获得直方图, 但是要遍历 Tree 却没有提供迭代器, 只能靠 TBranchAddress 来遍历)

这个时候出现论坛回复, 告诉我 TestEM11 可以做一样的事情, 还没有我遇到的问题.

跑去看一眼 TestEM11 的代码:

void SteppingAction::UserSteppingAction(const G4Step* step)
{
...
 //longitudinal profile of deposited energy
 //randomize point of energy deposotion
 //
 G4StepPoint* prePoint  = step->GetPreStepPoint();
 G4StepPoint* postPoint = step->GetPostStepPoint();
 G4ThreeVector P1 = prePoint ->GetPosition();
 G4ThreeVector P2 = postPoint->GetPosition();
 G4ThreeVector point = P1 + G4UniformRand()*(P2 - P1);
 if (step->GetTrack()->GetDefinition()->GetPDGCharge() == 0.) point = P2;
 G4double x = point.x();
 G4double xshifted = x + 0.5*fDetector->GetAbsorSizeX();
 analysisManager->FillH1(1, xshifted, edep);
...
}

马上干一样的事情:

^图 3随机化沉积位置后修正的直方图

修好了, 美妙.

经验

• 蒙特卡洛模拟的时候, 一个均匀的随机数可以充当平均
• 有些软件实现可能和物理直觉不一致, 用的时候不要根据物理自觉做过多假设