Geant4で原子核乾板 (10の12乗チャンネル) を実装した - 物理の駅 Physics station by 現役研究者

ミクロンの空間分解能を持ちながら、ミリメートルからメートルのサイズを持つ放射線検出器は原子核乾板以外に存在しない。通常、チャンネル数はある特定の数になるが、原子核乾板の場合はそういう概念はないに近い。1平方センチあたり10の14乗を程度チャンネル数が存在するとみなしてもよい。

高エネルギー粒子をシミュレーションするときは、乾板の表面に入ってから出ていくまでを直線と仮定して差し支えないが、低エネルギー粒子の飛跡をシミュレーションで再現しようとするときは、PhysicsListが低エネルギー側でどの程度現実の物理を反映しているかどうかは別にして、それなりに細かいStepで飛跡の位置情報を出力したいと誰しも思うだろう。

Geant4でこのような検出器を実装するには、 G4PVReplica という機能を使う。

G4PVReplica は G4VPhysicalVolume から継承されているクラスで、先に作った箱(例えば G4Box)をある方向に分割する機能である。X軸、Y軸、Z軸の3回分割を繰り返せば、細かい要素に箱を区切ることができる。シミュレーションしたい内容に応じて、細かさは調整すればよい。コメントで指摘があったとおり、最小要素(Elmt)を四角柱(Stick)に詰め、それを平面に伸びる四角柱(Srfc)に詰め、さらに箱(Box)に詰めている、という考え方の方が分かりやすい。

次の例では、簡単のために一辺100ミリメートルの立方体を、一辺10ミクロンの立方体で区切る。計10の12乗のチャンネル数がGeant4にできていることになる。

G4double leng_EmulsionBox = 100.0*mm;     // X-full-length of emulsion box 
G4double leng_EmulsionElmt = 0.01*mm;     // X-full-length of emulsion element
G4int nDiv = std::round(leng_EmulsionBox / leng_EmulsionElmt);

//Emulsionを格納するBOX
auto* solid_EmulsionBox =
    new G4Box("Solid_EmulsionBox", leng_EmulsionBox / 2.0, leng_EmulsionBox / 2.0, leng_EmulsionBox / 2.0);
auto* materi_EmulsionBox = materi_Man->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");
auto* logVol_EmulsionBox =
    new G4LogicalVolume(solid_EmulsionBox, materi_EmulsionBox, "LogVol_EmulsionBox", 0, 0, 0);

//XYに伸びる四角柱(平面)
auto* solid_EmulsionSrfc =
    new G4Box("Solid_EmulsionSrfc", leng_EmulsionBox / 2.0, leng_EmulsionBox / 2.0, leng_EmulsionElmt / 2.0);
auto* materi_EmulsionSrfc = materi_Man->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");
auto* logVol_EmulsionSrfc =
    new G4LogicalVolume(solid_EmulsionSrfc, materi_EmulsionSrfc, "LogVol_EmulsionSrfc", 0, 0, 0);
new G4PVReplica("PhysVol_EmulsionSrfc", logVol_EmulsionSrfc, logVol_EmulsionBox, kZAxis,
    nDiv, leng_EmulsionElmt);

//X方向に伸びる四角柱(棒)
auto* solid_EmulsionStick =
    new G4Box("Solid_EmulsionStick", leng_EmulsionBox / 2.0, leng_EmulsionElmt / 2.0, leng_EmulsionElmt / 2.0);
auto* materi_EmulsionStick = materi_Man->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");
auto* logVol_EmulsionStick =
    new G4LogicalVolume(solid_EmulsionStick, materi_EmulsionStick, "LogVol_EmulsionStick", 0, 0, 0);
new G4PVReplica("PhysVol_EmulsionStick", logVol_EmulsionStick, logVol_EmulsionSrfc, kYAxis,
    nDiv, leng_EmulsionElmt);

//最小単位 (Element)
auto* solid_EmulsionElmt =
    new G4Box("Solid_EmulsionElmt", leng_EmulsionElmt / 2.0, leng_EmulsionElmt / 2.0, leng_EmulsionElmt / 2.0);
auto* materi_EmulsionElmt = materi_Man->FindOrBuildMaterial("EmulsionE373");
auto* logVol_EmulsionElmt =
    new G4LogicalVolume(solid_EmulsionElmt, materi_EmulsionElmt, "LogVol_EmulsionElmt", 0, 0, 0);
new G4PVReplica("PhysVol_EmulsionElmt", logVol_EmulsionElmt, logVol_EmulsionStick, kXAxis,
    nDiv, leng_EmulsionElmt);

auto threeVect_LogV = G4ThreeVector(0, 0, 0);
auto trans3D_LogV = G4Transform3D(G4RotationMatrix(), threeVect_LogV);
new G4PVPlacement(trans3D_LogV, "Emulsion", logVol_EmulsionBox, physVol_World, false, 0);