Esempio sui materiali

Questo esempio illustra i quattro modi per definire un materiale in GEMC: utilizzando un materiale predefinito di Geant4, componendo un materiale a partire da elementi in base al numero di atomi, componendo un materiale a partire da materiali esistenti in base alle frazioni di massa e aggiungendo proprietà ottiche per la scintillazione o la radiazione Cherenkov.

Puoi eseguire questo esempio nel tuo browser:

Avvio rapido

Copia l’esempio nella directory corrente. Per creare la geometria ed eseguire 10 eventi:

cp -r $GEMC_HOME/examples/basic/material .
cd material
./materials.py
gemc materials.yaml -n=10

Geometria

La geometria è definita in materials.py.

Il mondo (un parallelepipedo chiamato root) contiene cinque tubi identici posizionati lungo l’asse z. Tutti i tubi hanno la stessa forma: 10 cm di diametro, 1 cm di spessore, a partire da z = 0, con una distanza di 3 cm tra l’uno e l’altro. Differiscono solo per colore e definizione del materiale:

Tubo	Nome del volume	Materiale	Metodo di definizione
1	tube_carbon	G4_C	Predefinito in Geant4 (grafite)
2	tube_water	custom_water	Composizione molecolare (H2O)
3	tube_mixture	air_water_mixture	Frazioni di massa (80% aria, 20% acqua)
4	tube_scintillator	my_scintillator	Simile al NaI, con proprietà di scintillazione
5	tube_optical	optical_glass	SiO2 con indice di rifrazione

Visualizzatore interattivo:

Definizioni dei materiali

Tubo 1 — Materiale predefinito in Geant4

Il caso più semplice: assegna un nome dal Database dei materiali di Geant4 direttamente a gvolume.material:

tube1.material = "G4_C"

Non è necessario alcun oggetto GMaterial; GEMC risolve il nome in fase di esecuzione.

Tubo 2 — Composizione molecolare

Usa GMaterial e addNAtoms per specificare gli atomi e il loro numero nella formula chimica:

water = GMaterial("custom_water")
water.description = "Water defined by molecular composition (H2O)"
water.density = 1.0          # g/cm3
water.addNAtoms("H", 2)
water.addNAtoms("O", 1)
water.publish(cfg)

Il numero totale di atomi deve essere maggiore di 1.

Tubo 3 — Frazioni di massa

Usa addMaterialWithFractionalMass per miscelare materiali esistenti in base alle frazioni di massa. La somma delle frazioni deve essere esattamente 1:

mixture = GMaterial("air_water_mixture")
mixture.description = "80% air / 20% water mixture"
mixture.density = 0.9601     # g/cm3
mixture.addMaterialWithFractionalMass("G4_AIR",   0.80)
mixture.addMaterialWithFractionalMass("G4_WATER", 0.20)
mixture.publish(cfg)

Tubo 4 — Proprietà di scintillazione

Imposta photonEnergy e i campi di scintillazione per abilitare l’emissione di fotoni ottici. Tutte le grandezze dipendenti dall’energia devono avere lo stesso numero di valori di photonEnergy:

scintillator = GMaterial("my_scintillator")
scintillator.density = 3.67   # g/cm3
scintillator.addNAtoms("Na", 1)
scintillator.addNAtoms("I",  1)
scintillator.photonEnergy       = "2.0*eV 2.5*eV 3.0*eV 3.5*eV 4.0*eV"
scintillator.fastcomponent      = "1.0 0.9 0.8 0.7 0.6"
scintillator.slowcomponent      = "0.5 0.4 0.3 0.2 0.1"
scintillator.scintillationyield = 38000   # photons/MeV
scintillator.resolutionscale    = 1.0
scintillator.fasttimeconstant   = 6       # ns
scintillator.slowtimeconstant   = 88      # ns
scintillator.yieldratio         = 0.8
scintillator.birksConstant      = 0.00152
scintillator.publish(cfg)

Tubo 5 — Indice di rifrazione (Cherenkov)

Imposta photonEnergy, indexOfRefraction e, facoltativamente, absorptionLength per abilitare la radiazione Cherenkov nel materiale. Si segue lo stesso approccio utilizzato nel seguente esempio Cherenkov:

optical_glass = GMaterial("optical_glass")
optical_glass.density = 2.5   # g/cm3
optical_glass.addNAtoms("Si", 1)
optical_glass.addNAtoms("O",  2)
optical_glass.photonEnergy      = "2.0*eV 3.0*eV 4.0*eV 5.0*eV"
optical_glass.indexOfRefraction = "1.458 1.466 1.476 1.490"
optical_glass.absorptionLength  = "3*m 3*m 3*m 3*m"
optical_glass.publish(cfg)

Lista di fisica

Nel file YAML è selezionata la lista FTFP_BERT + G4OpticalPhysics in modo che i fotoni ottici prodotti dalla scintillazione e dalla radiazione Cherenkov vengano tracciati.

phys_list: FTFP_BERT + G4OpticalPhysics

phys_list

The physics list can be selected using the option
gemc -phys_list <value>
where <value> can be a combination of the Geant4 physics constructors separated by the + sign. For example
gemc -phys_list="FTFP_BERT + G4NeutronCrossSectionXS"
To see a list of the available Geant4 constructors:
gemc -showPhysics

Generatore

La cinematica delle particelle è definita nel file YAML:

gparticle:
  - name: proton
    p: 2000*MeV
    vz: -2*cm
    delta_vx: 0.1*cm
    delta_vy: 0.1*cm
    multiplicity: 1

Vedi anche la documentazione del generatore interno per ulteriori informazioni.

Utilizzo

Costruzione del rivelatore

./materials.py

Vedi anche la costruzione della geometria per ulteriori informazioni.

Esecuzione di GEMC

gemc materials.yaml -n=10

Le annotazioni e le decorazioni della scena sono salvate in annotations.yaml. Esegui solo il file YAML principale per una vista essenziale, oppure passa entrambi i file YAML per includere le etichette e la scala di riferimento:

gemc materials.yaml -n=10
gemc materials.yaml annotations.yaml -n=10

Aggiungi -gui per l’esecuzione interattiva.

Esecuzione degli eventi

Materials simulation: particles traversing the material samples.

Output

Nel file YAML sono configurati due flussi di output:

gstreamer:
  - format: csv
    filename: material

Vedi anche la documentazione dell’output per maggiori informazioni.