材料示例

本示例演示了在 GEMC 中定义材料的四种方式：使用 Geant4 内置材料、按原子数由元素组合材料、按质量分数由现有材料组合材料，以及为闪烁或切伦科夫辐射添加光学属性。

你可以在浏览器中运行本示例：

快速上手

将示例复制到当前目录。创建几何并运行 10 个事件：

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

几何

几何在 materials.py 中定义。

世界体（一个名为 root 的盒状几何体）包含沿 z 轴放置的五个相同的圆管。所有圆管形状相同：直径 10 cm，厚 1 cm，从 z = 0 开始，彼此间隔 3 cm。它们只在颜色和材料定义上有所不同：

圆管	几何体名称	材料	定义方法
1	tube_carbon	G4_C	Geant4 内置（石墨）
2	tube_water	custom_water	分子组成（H2O）
3	tube_mixture	air_water_mixture	质量分数（80% 空气，20% 水）
4	tube_scintillator	my_scintillator	具有闪烁属性的类 NaI 材料
5	tube_optical	optical_glass	具有折射率的 SiO2

交互式查看器：

材料定义

圆管 1 — Geant4 内置材料

最简单的情况：将 Geant4 材料数据库中的名称直接赋给 gvolume.material：

tube1.material = "G4_C"

无需 GMaterial 对象；GEMC 会在运行时解析该名称。

圆管 2 — 分子组成

使用 GMaterial 和 addNAtoms 指定化学式中的原子及其数量：

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)

原子总数必须大于 1。

圆管 3 — 质量分数

使用 addMaterialWithFractionalMass 按质量分数混合现有材料。各质量分数之和必须恰好为 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)

圆管 4 — 闪烁属性

设置 photonEnergy 及各闪烁字段以启用光学光子发射。所有随能量变化的量必须与 photonEnergy 具有相同数量的条目：

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)

圆管 5 — 折射率（切伦科夫）

设置 photonEnergy、indexOfRefraction，以及可选的 absorptionLength，以在材料中启用切伦科夫辐射。这与切伦科夫示例中采用的方式一致：

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)

物理列表

在 YAML 文件中选择了 FTFP_BERT + G4OpticalPhysics，以便追踪来自闪烁和切伦科夫辐射的光学光子。

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

生成器

粒子的运动学参数在 YAML 文件中定义：

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

更多信息另见内部生成器文档。

用法

构建探测器

./materials.py

更多信息另见构建几何。

运行 GEMC

gemc materials.yaml -n=10

场景标注和装饰保存在 annotations.yaml 中。单独运行主 YAML 可获得简洁的视图，或同时传入两个 YAML 文件以包含标签和比例尺装饰：

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

添加 -gui 可交互式运行。

运行事件

Materials simulation: particles traversing the material samples.

输出

在 YAML 文件中配置了两个输出流：

gstreamer:
  - format: csv
    filename: material

更多信息另见输出文档。