Моделирование взаимодействий ионизирующих частиц с веществом с SRIM и GEANT4 (Геннадий Шефель, OSEDUCONF-2026)

Ссылки сюда (1) →

Короткая ссылка: 20260207D

Докладчик

Геннадий Шефель

Для различных задач физики частиц, связанных с разработкой и анализом данных детекторных систем, необходимо моделирование отклика детекторов на частицы различной природы и энергии. Примерами таких задач могут быть задачи физики высоких энергий, радиационной медицины, космической физики, задачи, связанные с радиационной стойкостью электронных приборов.

В докладе рассказывается о применении программного комплекса GEANT4 в контексте обучения студентов отделения ядерной физики Физического факультета МГУ.

Презентация

Thesis

Ключевые слова: ядерная физика, моделирование, метод Монте-Карло, GEANT4, C++.

Введение

Программа обучения студентов отделения ядерной физики (ОЯФ) подразумевает подробное знакомство с процессами взаимодействия частиц и излучений с веществом. Студентам кафедр экспериментальной физики необходимо научиться моделировать отклик детектора на частицы различной природы и энергии. Программные комплексы GEANT4 и ROOT применяются на ОЯФ как для обучения студентов, так и для научной работы.

Стоит упомянуть, что для моделирования взаимодействия частиц с веществом (в т.ч. в контексте обучения) существуют и другие программные средства, например SRIM (The Stopping and Range of Ions in Matter).

Пакет SRIM работает под Windows, распространяется по лицензии Freeware, но без открытого исходного кода, т.е. по определению свободного ПО таковым не является. Однако SRIM имеет простой, понятный интерфейс и за счёт этого низкий порог вхождения, оперативно осваивается в первом приближении даже старшими школьниками.

GEANT4 (GEometry ANd Tracking)

GEANT4 — инструментарий с открытым исходным кодом на языке C++, предназначенный для моделирования прохождения элементарных частиц и излучений через вещество с использованием метода Монте-Карло, представляет собой набор библиотек, охватывающих геометрию, материалы, физические процессы, отклик детекторов и визуализацию. GEANT4 позволяет исследователям самим писать код для моделирования конкретных физических задач, используя богатый набор предоставляемых им функций.

Основные возможности и компоненты:

• Геометрия: Определение сложной 3D-структуры детекторов и материалов, включая иерархию вложенных объёмов.
• Материалы: Описание материалов с учётом их атомного состава и фазового состояния (газ, жидкость, твёрдое тело).
• Физические процессы: Моделирование всех видов взаимодействий частиц: электромагнитных, сильных и слабых, а также распадов и оптических процессов (образование и транспорт сцинтилляционных и черенковских фотонов).
• Управление симуляцией: Классы для определения первичных частиц, управления событиями, шагами частиц и анализа результатов.
• Визуализация: Встроенные инструменты для графического отображения детекторов и траекторий частиц (OpenGL и др.), см. Рис.1.

Схема детектора и треки частиц (а); объёмные карты ионизационных потерь электронов (б) и гамма-квантов (в) в сцинтилляционном детекторе.

При установке GEANT4 пользователю доступна богатейшая библиотека примеров, на основе которой можно создать проект практически любого типа детектора частиц и излучений. Базовые примеры представляют собой отправные точки, ориентированные на основные понятия, такие как геометрия и генерация первичных частиц. Для продвинутых пользователей предлагаются расширенные и сложные примеры — полностью реализованные экспериментальные приложения широчайшего диапазона применимости.

В курсе лабораторных работ предлагается несколько упражнений от простых к более сложным:

• Электромагнитный каскад в однородной среде.
• Электромагнитный каскад в слоистом детекторе.
• Распространение нейтрона в однородной среде (случайные блуждания).
• Движение заряженных частиц в дипольном магнитном поле.
• Изучение отклика сцинтилляционного спектрометра.
• Солнечный Нейтронный и Гамма Спектрометр.
• Оценка первичной энергии широкого атмосферного ливня.

Для выполнения лабораторной работы студентам предварительно не требуется глубокое знание пакетов GEANT4 и ROOT. Для упражнений используются разработанные преподавателем приложения на основе типовых примеров GEANT4. Студентам доступны примеры в виде командных файлов run*.mac. В макросах задаются необходимые для сеанса моделирования исходные данные по количеству событий, энергии, типу первичных частиц, а также составу материала. Студент должен сам составить из них нужный ему макрос. В качестве образца доступны несколько макросов с различными значениями параметров.

Выводы

GEANT4 — богатейший инструмент для профессионального использования, предназначен для точного моделирования эффектов в детекторах, включая оптические. Однако, т.к. представляет собой набор функций, имеет довольно высокий порог вхождения для студента, поэтому осваивается под руководством опытного пользователя в рамках достаточно масштабной физической задачи. Параллельно желательно освоение средств программных библиотек CERN ROOT для полноценной визуализации и анализа данных.

Список литературы