杨振伟 清华大学 第八讲:Geant4 的探测器模拟介绍(3) 粒子物理与核物理实验中的数据分析 杨振伟 清华大学 第八讲:Geant4 的探测器模拟介绍(3) 2019/5/19

上讲回顾 粒子定义 产生事例：G4ParticleGun 物理过程：电磁、强作用、衰变、光轻子-强子作用、光学、参数化、输运(必要过程) G4ParticleDefinition 6大类粒子：G4LeptonConstructor G4BosonConstructor G4MesonConstructor G4BaryonConstructor G4IonConstructor G4ShortlivedConstructor 产生事例：G4ParticleGun 物理过程：电磁、强作用、衰变、光轻子-强子作用、光学、参数化、输运(必要过程) 2019/5/19

本讲要点 产生主事例 G4HEPEvtInterface 灵敏探测器 取出灵敏探测器的数据，并存入ROOT格式文件 2019/5/19

事例产生子接口 G4HEPEvtInterface 很多时候，事例产生子已经存在，而且是Fortran语言。Geant4并不直接链接这些Fortran程序，而是提供了一个接口： G4HEPEvtInterface读取事例产生子生成的ASCII文件中的信息，重新生成G4PrimaryParticle对象，并关联到对应的G4PrimaryVertex 也就是说，G4HEPEvtInterface将/HEPEVT/公共块的信息转换为一个O-O数据结构。这个公共块在高能物理中被广泛使用。 2019/5/19

用/HEPEVT/公共块生成ASCII文件 common block 将以下量写入文件中 第一行：NHEP，当前事例粒子数(包括中间态) 随后的NHEP行：每个粒子的ISTHEP,IDHEP,JDAHEP,PHEP信息 ISTHEP：粒子状态；IDHEP：粒子PDG号；JDAHEP：粒子衰变产物 位置的指针；PHEP(1-3,5)：粒子x,y,z动量，能量，质量 2019/5/19

以HEPEVT格式输出的ASCII文件 第一列为粒子状态(3：对撞入射粒子或其它；2：衰变了；1：存在的粒子；0：空)， 比如：下面这个事例表示该事例共102个粒子(包括中间态)，随后的102行分别为这102个粒子的具体信息： 第一列为粒子状态(3：对撞入射粒子或其它；2：衰变了；1：存在的粒子；0：空)， 第2列为粒子PDG号， 最后4列分别为粒子的x，y，z方向动量和质量。 102 3 11 0 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.25000000E+03 0.51000000E-03 3 -11 0 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 -0.25000000E+03 0.51000000E-03 3 11 0 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 0.24999999E+03 0.00000000E+00 3 -11 0 0 0.00000000E+00 0.00000000E+00 -0.25000000E+03 0.00000000E+00 3 11 0 0 0.37396914E-02 0.15234913E-02 0.24138585E+03 0.00000000E+00 3 -11 0 0 -0.93164320E-02 0.27396574E-01 -0.24687934E+03 0.00000000E+00 3 23 0 0 -0.55767406E-02 0.28920065E-01 -0.54934906E+01 0.48823428E+03 3 2 0 0 0.19070032E+02 0.24337596E+03 -0.48627266E+01 0.33000000E+00 3 -2 0 0 -0.19075609E+02 -0.24334704E+03 -0.63076405E+00 0.33000000E+00 2 23 16 26 -0.55767406E-02 0.28920065E-01 -0.54934906E+01 0.48823428E+03 1 22 0 0 0.93164331E-02 -0.27396573E-01 -0.31205891E+01 0.00000000E+00 1 22 0 0 -0.81046576E-03 -0.82301151E-04 0.14162632E+00 0.00000000E+00 ...... 175 2019/5/19

使用HEPEvtInterface的例子 参见例子N04，在ExN04PrimaryGeneratorAction.cc中： ExN04PrimaryGeneratorAction::ExN04PrimaryGeneratorAction() { const char* filename = "pythia_event.data"; //读取pythia_event.data HEPEvt = new G4HEPEvtInterface(filename); } void ExN04PrimaryGeneratorAction::GeneratePrimaries(G4Event* anEvent) //设定主顶点位置，产生主顶点 HEPEvt->SetParticlePosition(G4ThreeVector(0.*cm,0.*cm,0.*cm); HEPEvt->GeneratePrimaryVertex(anEvent); 其中HEPEvt在头文件中定义： G4VPrimaryGenerator* HEPEvt; 注：main函数或者mac文件中设定beamOn事例数不能超过ASCII中事例数。 2019/5/19

灵敏探测器(Sensitive Detector) 灵敏探测器(SD)的首要任务是通过粒子“迹”(track)上的“步”(step)的信息，构造“击中”(hit)。 这些击中经过数字化，被读出模块读出的信息是真正的模拟结果。(当然在模拟中我们也可以忽略数字化而直接读出hit的信息或者其它信息，这些信息实际上是所谓的"Monte Carlo Truth") 用户灵敏探测器继承自抽象基类G4VSensitiveDetector，用户需要完成3个主要函数： ProcessHits(G4Step* aStep, G4TouchableHistory*) 构造“击中”，被G4SteppingManager调用 Initialize(G4HCofThisEvent* HCE) 初始化，事例开始时调用，指定构造的“击中”与当前事例关联起来 EndOfEvent(G4HCofThisEvent*) 事例结束时调用 参见例子N02/src/ExN02TrackerSD.cc 2019/5/19

定义和添加灵敏探测器(1) 1.定义Hits，如ExN02TrakcerHit.cc 2.定义SD，如ExN02TrackerSD.cc 3.在DetectorConstruction()中添加SD 在探测器构造中添加敏感探测器，比如： //SDManager G4SDManager* SDman = G4SDManager::GetSDMpointer(); //创建敏感探测器 G4String trackerChamberSDname = "ExN02/TrackerChamberSD"; ExN02TrackerSD* aTrackerSD = new ExN02TrackerSD( trackerChamberSDname ); //添加到SDManager SDman->AddNewDetector( aTrackerSD ); //为logical体积设定敏感探测器!!! logicChamber->SetSensitiveDetector( aTrackerSD ); 参见例子N02/src/ExN02DetectorConstruction.cc 2019/5/19

定义和添加灵敏探测器(2) 将多个logical体积添加为灵敏探测器时： 假设有3个体积V1，V2，V3 如果定义这3个体积的时候，先定义V1，再定义V2，最后定义V3，则V1，V2，各自被覆盖掉一部分。 V1 V2 V3 如果希望蓝色区域为SD，则需要 V2->SetSensitiveDetector(....) 2019/5/19

读取敏感探测器的信息 在EventAction类的EndOfEventAction()函数中，可以读取该事例中存储的Hits。比如可以在ExN02EventAction.cc中加入下面代码，查看每个事例中的Hits数目： //获得该事例的HitsCollection(可能不止一个) G4HCofThisEvent* hc = evt->GetHCofThisEvent(); G4int NbOfColl = hc->GetNumberOfCollections(); //获得第0个HitsCollection，即ExN02TrackerHitsCollection //也可以通过CollectionID获得 ExN02TrackerHitsCollection *hitsC = hc->GetHC(0); //该Collection中Hits数目 G4int sizehits = hitsC->entries(); ....... 当然，你也可以将hitsC中的Hits挨个读取出来，并获取这些Hits的详细信息。 2019/5/19

将模拟结果写入root文件 GNUMakefile中添加调用root需要的头文件的目录和库，即在G4EXLIB := true一行后面加入： ROOTCFLAGS = $(shell root-config --cflags) ROOTLIBS = $(shell root-config --libs) ROOTGLIBS = $(shell root-config --glibs) CPPFLAGS += $(ROOTCFLAGS) EXTRALIBS += $(ROOTLIBS) $(ROOTGLIBS) 2) 在main函数新建TFile，定义TTree (全局变量) 3) 在EventAction的EndOfEventAction()函数中收集需要的数据，填充到TTree。(也可以直接在SD中收集) 4) 在RunAction中将TFile写入硬盘。(也可以在主函数main()中写入) 参见 hep.tsinghua.edu.cn/~yangzw/CourseDataAna/examples/Lec8.tgz 2019/5/19

小结 G4HEPEvtInterface 主产生子(PrimaryGenerator)的一种，直接读取ASCII文件中以HEPEVT格式存储的事例。 敏感探测器的添加和定义 在DetectorConstruction中，不但要将SD添加给SDManager，还要指定相应的logical体积。 将结果存储到root文件中 在EventAction中收集数据，或者在SD中直接收集。 2019/5/19

练习 在例子N02的基础上，将模拟的信息存储到root文件中。这些信息包括：粒子的PDG号、质量、能量沉积、径迹长度。生成root文件后画出这些信息的直方图，并进行分析 修改探测器物质和入射粒子，重新运行，得到新的root文件，并画出储存信息的直方图。 在N03的基础上，加入敏感探测器。 2019/5/19

参考资料 Geant4应用开发手册3.6节 Geant4应用开发手册4.4节 Geant4例子novice/N02,N04 2019/5/19