Warsztaty GEANT4 oparte na materiałach treningowych (SLAC)

Warsztaty 4:  procesy fizyczne, fotony optyczne



    Proszę:






Ćwiczenie 1



    a) Proszę zamienić materiał z jakiego wykonana jest tarcza z berylu na gęsty kryształ scyntylatora PbWO4
    b) Wydłużyć tarczę do 30 cm
    c) Zieloną sfere domyślnie zrobić niewidoczną
  
  d) Wizualizować pozytony na niebiesko
    e) Energie pierwotnych elektronów ustawić na 1 GeV


Wskazówki:
  a) PbWO4 znajduje się w wewnętrznej bazie danych GEANT4 ( o nazwie "G4_PbWO4")
  b) Zmieniając długość tarczy zmieńmy także jej pozycje, tak aby początek tarczy nadal był w punkcie z = 0
  d) Wizualizacje śladów zmieniamy w pliku run.mac
  e) Energie pierwotnych elektronów zmieniamy w konstruktorze klasy MyPrimaryGeneratorAction
    Proszę skompilować, uruchomić program i sprawdzić 
czy w czasie wizualizacji widać wszystkie obiekty jak na rysunku poniżej.
    Poniższe polecenia UI mozna wpisać do makra np. run2.mac
     /vis/open OGLIQt
     /vis/drawVolume 
     /vis/scene/add/trajectories smooth
     /run/beamOn 1 
     


 Rozwiązanie

<rysunek>

<rysunek>

Powyższy obraz pokazuje rozwój kaskady elektromagnetycznej w krysztale PbWO4  .  Materiał ten jest na tyle gęsty, że
kalorymetry oparte na tym scyntylatorze nie wymagają dodatkowych nieaktywnych absorberów.

Własności PbWO4:
droga radiacyjna  (odległość na jakiej wysokoenergetyczny elektron traci 1/e swojej energii)         około 1 cm 
promień Moliera  (promień walca zawierającego 95% energii kaskady elektromagnetycznej)        około 2 cm
średnia droga swobodna między oddziaływaniami jądrowymi (wysokoenergetyczny proton)           około 21 cm

Ćwiczenie 2


Proszę zaobserwować jakościowe zmiany w oddziaływaniu z PbWO4 :
a) fotonu;   b) mionu; c)  protonu

Wskazówki:
Rodzaj generowanej cząstki  zmieniamy w  konstruktorze klasy MyPrimaryGeneratorAction
  foton -    "gamma"
  mion -    "mu-"
  proton -  "proton"
Powinniśmy zaobserwować dla fotonu podobną kaskadę jak dla elektronu oraz prawie całkowity brak produkcji cząstek wtórnych dla mionu i protonu.

 Rozwiązanie


Ćwiczenie 3


Projekt My zawiera tylko oddziaływania elektromagnetyczne zatem dla protonu  nie będzie symulacji reakcji jądrowych. Symulowana jest tylko jonizacja i rozpraszanie Coulomba.  Proszę dodać  oddziaływania hadronowe korzystając  z gotowej listy procesów hadronowych  o nazwie  G4HadronPhysicsQGSP_BERT. Proszę powtórzyć symulacje dla protonu. Ponieważ średnia droga swobodna protonu w PbWO4 wynosi około 20 cm powinniśmy zaobserwować jedną reakcję jądrową, jak na rysunku poniżej. Prawie wszystkie zielone ślady to neutrony.

Wskazówki:
- Klasa G4HadronPhysicsQGSP_BERT jest klasą pochodna klasy G4VPhysicsConstructor aby dodać procesy aktywowane w tej klasie  należy utworzyć obiekt tej klasy w funkcji MyPhysicsList::ConstructProcess a następnie wywołać funkcję składową klasy G4HadronPhysicsQGSP_BERT::ConstructProcess
- Proszę nie zapomnieć o pliku nagłówkowym.

 Rozwiązanie


rys
rys

Fotony optyczne


Proszę powrócić do generacji elektronu zamiast protonu.

- Prawie cała energia elektronu deponowana jest w scyntylatorze poprzez proces jonizacji.
- Wzbudzone atomy mogą emitować fotony optyczne  na skutek luminescencji.
- Pomiar energii elektronu w kolorymetrach oparty jest na zamianie fotonów optycznych na sygnał elektryczny przy użyciu fotopowielacza lub fotodiody.
- W wielu aplikacjach ilość fotonów optycznych jest na tyle duża, że można ten etap symulacji pominąć i założyć że mierzony sygnał elektryczny jest proporcjonalny do energii zdeponowanej w scyntylatorze. W takim podejściu zakładamy, że produkcja i kolekcja fotonów optycznych nie zaburza liniowości i rozdzielczości odpowiedzi detektora. 
- Aby  jednak symulować produkcję fotonów optycznych należy aktywować odpowiednie procesy oraz zdefiniować własności optyczne ośrodka w którym są produkowane. 
- Scyntylator PbWO4 ma w bazie NIST zdefiniowany jedynie skład bez określenia własności optycznych.


Ćwiczenie 4



     a) Proszę zdefiniować własności optyczne PbWO4 jako przykład implementacji proszę wykorzystać kod ze strony GEANT'a  GEANT4 User's Guide
     b) skompilować i uruchomić program sprawdzając,  czy własności optyczne PBWO4 zostały poprawnie zaimplementowane 


Wskazówki:

  - Własności optyczne materiału zapisane są jako elementy tablicy  G4MaterialPropertiesTable  przypisanej do obiektu klasy G4Material za pomocą funkcji SetMaterialPropertiesTable(). Wiersze tablicy G4MaterialPropertiesTable mają postać pary [słowo-kluczowe  ;  wartości] i dodajemy je do tablicy za pomocą funkcji AddConstProperty() gdy  wartość  jest jedna  lub AddProperty gdy wartość zmienia się wraz z energią fotonu.  Własności  scyntylacyjne  określamy za pomocą słów kluczowych:
  "SCINTILLATIONYIELD"    średnia ilość  emitowanych fotonów na jednostkę deponowanej energii  w scyntylatorze
  "RESOLUTIONSCALE"        współczynnik zwiększający dyspersje rozkładu liczby fotonów   sigma=RES*sqrt(N)
  "FASTCOMPONENT"           rozkład  widmowy "szybkich" fotonów
  "FASTTIMECONSTANT"     stała czasowa eksponencjalnego rozkładu czasowego emisji fotonów szybkich
  "SLOWCOMPONENT"  i  "SLOWTIMECONSTANT" dla składowej powolnej.
  "YIELDRATIO"                      względny udział fotonów szybkich    
- Aby sprawdzić jakie wartości są  zapisane w tablicy MaterialPropertiesTable można użyć funkcji DumpTable()      


 Rozwiązanie

FASTCOMPONENT
MPV[0]: (6.6e-06, 0.000134)
MPV[1]: (6.7e-06, 0.004432)
MPV[2]: (6.8e-06, 0.053991)
MPV[3]: (6.9e-06, 0.241971)
MPV[4]: (7e-06, 0.398942)
MPV[5]: (7.1e-06, 0.000134)
MPV[6]: (7.2e-06, 0.004432)
MPV[7]: (7.3e-06, 0.053991)
MPV[8]: (7.4e-06, 0.241971)
 Done DumpVector of 9 entries.
SLOWCOMPONENT
MPV[0]: (6.6e-06, 1e-05)
MPV[1]: (6.7e-06, 2e-05)
MPV[2]: (6.8e-06, 3e-05)
MPV[3]: (6.9e-06, 0.004)
MPV[4]: (7e-06, 0.008)
MPV[5]: (7.1e-06, 0.005)
MPV[6]: (7.2e-06, 0.02)
MPV[7]: (7.3e-06, 0.001)
MPV[8]: (7.4e-06, 1e-05)
 Done DumpVector of 9 entries.
FASTTIMECONSTANT
1
RESOLUTIONSCALE
2
SCINTILLATIONYIELD
5000
SLOWTIMECONSTANT
10
YIELDRATIO
0.8


Ćwiczenie 5


Proszę aktywować proces produkcji fotonów optycznych  w PbWO4 dla wszystkich cząstek których ten proces dotyczy:

Wskazówki:
- Proces ten reprezentowany jest przez klasę G4Scintillation
- Aktywacja tego procesu może wyglądać identycznie jak aktywacja procesu rozpadu G4Decay w funkcji MyPhysicsList::ConstructGeneral omawianej na wykładzie. Aby zminimalizować ilość zmian w kodzie można ten proces aktywować w funkcji ConstructGeneral.
- Proces G4Scintillation ma podobnie jak proces G4Decay komponentę AtRest oraz PostStep
- Uwaga: 1 GeV elektron może wyprodukować niewiele mniej niż  200 tysięcy fotonów optycznych w scyntylatorze.  Ich wizualizacja jest prawie niemożliwa. Dlatego przed uruchomieniem programu proszę zmniejszyć ilość produkowanych fotonów w scyntylatorze  do np. 1/MeV.
- Proszę sprawdzić czy program się kompiluje i czy podczas wizualizacji  widać wszystkie obiekty jak na rysunku poniżej:

 Rozwiązanie

rys
rys

Kryształy scyntylatora z reguły owijane są w cieńkie folie lustrzane aby jak najwięcej światła padało na
fotopowielacz lub fotodiodę, jak na rysunku poniżej: