文|梁佐佐
Geant4，是模擬輻射粒子與物質(zhì)相互作用的可靠軟件工具，有著豐富的物理過程截面庫，涉及中子、伽瑪（X）、電子、質(zhì)子、各種重離子乃至可衰變核素等各種輻射粒子。
模擬的意義在于通過計(jì)算機(jī)平臺(tái)工具去模仿真實(shí)的物理實(shí)際場景，我們在做實(shí)驗(yàn)的時(shí)候想得到怎樣的信息，那么我們同樣想在Geant4中得到同樣的信息。比如，當(dāng)你仰望星空時(shí)，會(huì)有很多宇宙射線打在你的眼睛上，即便你的大腦不知道，你的眼睛是知道的；通過Geant4模擬，可以：a.模擬出宇宙射線的成分和特性，b.模擬出眼睛的材料，c.模擬出宇宙射線與眼睛材料的物理反應(yīng)過程，d.最終模擬結(jié)果給出平均每秒鐘有多少個(gè)伽瑪射線與眼睛發(fā)生相互作用，平均沉積的能量是多少，甚至是多少個(gè)中微子與眼睛相互作用等等所有可能的物理信息。
當(dāng)然了，模擬的結(jié)果是不可能與實(shí)際實(shí)驗(yàn)一模一樣的（越近似越準(zhǔn)確），但是做定性的考量是沒有問題的，比如通過Geant4模擬的手段，你可以輕易比較出一斤重的鐵比一斤重的棉花更能有效地捕獲吸收輻射粒子=?=。
那么，讓我們從B1例子出發(fā)，探討核輻射探測器的Geant4模擬。Geant4物理模擬的初衷在于仿照真實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)場景，通過各種物理反應(yīng)過程截面的蒙特卡羅抽樣來模擬真實(shí)的物理過程。
下圖所示為實(shí)驗(yàn)場景到Geant4模擬環(huán)境的對應(yīng)關(guān)系。Geant4是用C++語言編寫的，鑒于C++中類與對象的靈活運(yùn)用，可以把整個(gè)實(shí)驗(yàn)物理過程拆分為幾大部分，每個(gè)部分都是一個(gè)獨(dú)立的對象，對象之間也可以互相調(diào)用。在Geant4模擬中，最需要用戶費(fèi)心思的地方多在于所感興趣的物理信息抽取與統(tǒng)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)場景中，電子學(xué)信號(hào)的讀出同樣也是最復(fù)雜的那部分。
B1例子的基本解讀：物理幾何模型如下圖所示，半透明藍(lán)色方盒子填充為水，內(nèi)部的兩個(gè)體積分別填充了人體組織和骨骼的材料，射線源，即仿照拍攝X光片或者質(zhì)子（重離子）治療的場景，射線束為平行伽瑪射線或者質(zhì)子束，射線束打向整個(gè)方盒子；目的在于，計(jì)算在入射多個(gè)（比如100個(gè)）射線/粒子后，骨骼材質(zhì)的棱臺(tái)所吸收的劑量是多少。從中我們可以大致了解一下幾點(diǎn)：
a.?這是個(gè)關(guān)于醫(yī)用、輻射劑量評估的模擬
b.?Geant4模擬可以定義各種形狀的幾何體，幾何體的材料可以設(shè)置
c.?射線束/粒子源可以自定義
d.?我們可以通過Geant4模擬得到真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景中輻射沉積能量，也就是劑量
下面兩個(gè)圖所示為Geant4執(zhí)行過程中的信息流的控制，細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)為啥沒有列出幾何體和物理過程？其實(shí)嘛，是題主目前能力有限啦，沒有把握一下子把所有函數(shù)囊括概述。幾何體的構(gòu)建和物理過程一旦初始化，它們的信息就會(huì)固定，這么安排是為了方便大家理解Geant4是怎樣管理信息流的。當(dāng)然了，更詳細(xì)的框圖以后會(huì)涉及的。
在B1例子中，統(tǒng)計(jì)計(jì)算幾何體Shape2吸收劑量的過程的核心在于：抽取Step中所感興趣的信息，即判斷當(dāng)前Step是否在Shape2中，如果在，并且沉積能量大于0，則將沉積能量累加給當(dāng)前Event的一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量A，在當(dāng)前Event結(jié)束時(shí)，再將A統(tǒng)計(jì)給當(dāng)前Run，在當(dāng)前Run結(jié)束時(shí)，通過計(jì)算總沉積能量與Shape2的質(zhì)量比值來得到吸收劑量。
B1例子中幾乎每行代碼的注釋大致給出：
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