1. Geant4 Geometry 高度(?)な構造記述の方法
浅井　慎　（SLAC）

2. 内容 Solid BREP solid Boolean solid Physical volume Parameterized volume
Replica
Assembly
Voxelisation
CAD interface
Geant4 高度な構造記述の方法 - M.Asai (SLAC)

3. G4VSolid G4VSolid 形状(形・大きさ) G4VSolid は abstract class 継承する子供クラスを使う
G4Box
G4Tubs
G4VSolid
G4VPhysicalVolume
G4Material
G4VSensitiveDetector
G4PVPlacement
G4PVParameterised
G4VisAttributes
G4LogicalVolume
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4. G4VSolid Geant4が提供するSolid CSG (Constructed Solid Geometry) solids
G4Box, G4Tubs, G4Cons, G4Trd, …
Specific solids (CSG like)
G4Polycone, G4Polyhedra, G4Hype, …
使い方はCSG、中の実装はBREP
BREP (Boundary REPresented) solids
G4BREPSolidPolycone, G4BSplineSurface, …
Any order surface
Boolean solids
G4UnionSolid, G4SubtractionSolid, …
STEP interface
BREP solid models を CAD file から読み込む
STEP compliant solid modeler
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5. G4Polycone name Solidの名前 phiStart, phiTotal 始めの角度とカバーする角度 numZPlanes
G4Polycone( const G4String& name,
G4double phiStart,
G4double phiTotal,
G4int numZPlanes,
const G4double zPlane[],
const G4double rInner[],
const G4double rOuter[] );
name
Solidの名前
phiStart, phiTotal
始めの角度とカバーする角度
numZPlanes
Z軸方向の面の数
図の例の場合は４
zPlane
Z軸上の面の位置
中心がZ=0
rInner, rOuter
内径と外径
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6. G4Polyhedra name Solidの名前 phiStart, phiTotal 始めの角度とカバーする角度 numSide
G4Polyhedra( const G4String& name,
G4double phiStart,
G4double phiTotal,
G4int numSide,
G4int numZPlanes,
const G4double zPlane[],
const G4double rInner[],
const G4double rOuter[] );
name
Solidの名前
phiStart, phiTotal
始めの角度とカバーする角度
numSide
側面の数
numZPlanes
Z軸方向の面の数
図の例の場合は４
zPlane
Z軸上の面の位置
中心がZ=0
rInner, rOuter
内径と外径
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7. BREP solid BREP = Boundary REPresented Solid Solidを構成する全ての面を与える
例えば立方体の場合は６つの平面
BREPを構成する面
平面、２次曲面、高次の曲面
Splines, B-Splines,
NURBS (Non-Uniform B-Splines)
幾つかの簡単なBREPタイプは提供されている
box, cons, tubs, sphere, torus, polycone, polyhedra
CAD fileで用いられるsolidは全てBREP
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8. Boolean solid ２個のsolidのboolean operationで新しい形を作る
G4UnionSolid, G4IntersectionSolid, G4SubtractionSolid
１個目のsolidに対する２個目のsolidの相対位置を与える
Boolean operationの結果もsolidなので、繰り返してoperationできる
Tracking時には、boolean solidの全ての構成要素のprimitive solidに対して境界面までの距離の計算やtrackの位置がsolidに含まれるかの判定が行なわれるので、あまり多くのprimitive solidを組み合わせると遅くなる
G4UnionSolid
G4IntersectionSolid
G4SubtractionSolid
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9. G4VPhysicalVolume G4VPhysicalVolume G4LogicalVolume と、場所・回転
G4VPhysicalVolume は abstract class
継承する子供クラスを使う
G4Box
G4Tubs
G4VSolid
G4VPhysicalVolume
G4Material
G4VSensitiveDetector
G4PVPlacement
G4PVParameterised
G4VisAttributes
G4LogicalVolume
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10. G4VPhysicalVolume G4PVPlacement 1 Placement = One Volume
Logical volumeを１個置く
G4PVParameterized Parameterized = Many Volumes
１つのphysical volumeが複数個のvolumeを表す
CopyNoに応じて形状・大きさ・位置・回転角・材質・色・sensitivity等を変えられる
全てが同じ形状・大きさでない限りparameterised volumeは子供volumeを持ってはならない
G4PVReplica Replica = Many Volumes
同じ形状・大きさのvolumeが親volume内に隙間なくならぶ
例外：tube,cone等のR方向
メモリの節約
親volumeはplacement volumeとrepeated volumeのどちらか一方のみを持つ
Repeated volumeはCSG solidのみ
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11. G4PVParameterised pName Physical volume名 pLogical 子供のlogical volume
G4PVParameterised(const G4String& pName,
G4LogicalVolume* pLogical,
G4LogicalVolume* pMotherLogical,
const EAxis pAxis,
const G4int nReplicas,
G4VPVParameterisation *pParam);
pName
Physical volume名
pLogical
子供のlogical volume
形状・材質等のデフォルトとして使われる
pMotherLogical
親のlogical volume
親のphysical volumeを取る別のコンストラクタもある
pAxis
子供が最も多く並ぶ方向の軸を指定
kXAxis,kYAxis,kZAxis
nReplicas
子供の個数
子供のCopyNoは０～n-1
このCopyNoでパラメタライズ
pParam
G4VPVParameterisation
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12. G4VPVParameterisation
class G4VPVParameterisation {
　public:
　　virtual void ComputeTransformation
　　　(const G4int,
　　　　　　　G4VPhysicalVolume *) const = 0;
virtual G4VSolid* ComputeSolid
　　　(const G4int, G4VPhysicalVolume *);
virtual G4Material*　ComputeMaterial
virtual void ComputeDimensions
　　　(G4Box &,　const G4int,
const G4VPhysicalVolume *) const {}
　　　(G4Tubs &, const G4int,
ComputeTransformation
CopyNoに応じてphysical volumeに位置やrotation matrixをセットする
　　physVol->SetTranslation
(G4ThreeVector(x,y,z));
　　physVol->SetRotation(pRotM);
Material, sensitivity, 色等のlogical volume のattributeを変更できる
physVol->GetLogicalVolume()->Set…()
ComputeSolid
CopyNoに応じてsolidを返す
ComputeMaterial
CopyNoに応じてmaterialを返す
ComputeDimensions
形状をparameteriseせずに大きさだけをparameteriseする場合に用いる
対応する形状のオブジェクトが渡されるので、CopyNoに応じて直接サイズをセットする
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13. G4VPVParameterisationの注意事項
Rotation matrix, solid等のポインタを渡す場合には、オブジェクトはコピーされない。これらのポインタは関数を抜けた後Navigatorに適宜使われるので、local scopeのオブジェクトのポインタを渡したり、渡した後オブジェクトを消したりしてはならない。
このクラスの関数は各ステップ毎に呼ばれるので、関数中でsin, cos等の重い計算やファイルアクセスをすると、performanceが極端に悪くなる。
これらのトラブルを避けるために、重い計算やファイルアクセス、オブジェクトの生成等はコンストラクタで行なうべき。
コンパイル時にComputeDimensions関数に関してbase class virtual関数を隠すといったwarning messageが出る場合があるが、無視してよい。
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14. G4PVReplica 1次元に隙間なく並んだ子供を１個のG4PVReplicaで与える
勝手に親volumeをスライスしてくれる訳ではないので、事前に子供のsolidとlogical volumeを作っておく
勝手にparameterise関数を用意してくれると理解すればよい
pName
Physical volume名
pLogical
子供のlogical volume
pMotherLogical
親のlogical volume
親のphysical volumeを取る別のコンストラクタもある
nReplicas
子供の個数
子供のCopyNoは０～n-1
G4PVReplica(
const G4String& pName,
G4LogicalVolume* pLogical,
G4LogicalVolume* pMother,
const EAxis pAxis,
const G4int nReplicas,
const G4double width,
const G4double offset=0 );
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15. G4PVReplica – pAxis, width, offset
kXAxis, kYAxis, kZAxis
ｎ番目の子供は指定した座標軸の
　-width*(nReplicas-1)*0.5+n*width
　を中心とする
Offsetは指定しない
pAxisが半径方向の場合
kRho
ｎ番目の子供はwidth*n+offsetから
　width*(n+1)+offsetの範囲を占める
pAxisがphi方向の場合
kPhi
G4PVReplica(
const G4String& pName,
G4LogicalVolume* pLogical,
G4LogicalVolume* pMother,
const EAxis pAxis,
const G4int nReplicas,
const G4double width,
const G4double offset=0 );
width
offset
width
offset
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16. G4AssemblyVolume 入り組んだgeometryの場合に、いくつかのvolumeをグループにして、まとめて置いていく
G4AssemblyVolume自体はphysical volumeではない
グループ単位でlogical volumeを用意してもそのlogical volumeが重なってしまう場合に用いると便利
実際には個々のvolumeのplacementとして実現されるので、メモリ上からはメリットは無い
大規模はgeometryの場合にはparameterised volumeを使うべき
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17. G4AssemblyVolume G4AssemblyVolume コンストラクタ AddPlacedVolume
G4AssemblyVolumeを親volumeに見立てて、それに対して要素のlogical volumeを置く
MakeImprint
G4AssemblyVolumeを子供のlogical volumeに見立てて、それを実際の親に配置
物体を回す(G4Transform3D)の代わりにtransform G4ThreeVectorとrotation matrixを渡して軸を回して定義する関数もある
class G4AssemblyVolume {
public:
G4AssemblyVolume();
void AddPlacedVolume
( G4LogicalVolume* pPlacedVolume,
G4Transform3D& transformation);
void MakeImprint
( G4LogicalVolume* pMotherLV, };
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18. Voxelisation Run開始時にnavigationを最適化するために“smart voxel”を作る
これにより、trackingはユーザーのジオメトリの定義の仕方に依らずに最適化される
Binary search
とりあえず１つの軸方向にvoxelを作る
隣り合ったvoxelが同じvolumeしか持たない場合にはmergeされる
必要に応じて２つめ、３つめの軸に対してvoxeliseする
個々のlogical volumeについてvoxelisationを行なう
Voxelisationに要する時間はユーザーのジオメトリの定義の仕方に依存する
できるだけ階層化された定義をする方が速い
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19. CAD interface CAD file (STEP AP203 compliant)はsolidの形状と位置を定義している
材質やsensitivityの情報は持っていないので、DetectorConstructionで補う必要がある
個々のsolidが１個づつ位置を持っている
全てplacement volumeになる
できるだけdetector component毎にCAD fileを用意して、別々の親volumeに入れる
G4PlacedSolid
１個のSTEP solidに対応するGeant4 solidと位置
G4Assembly
G4PlacedSolidを作る
G4AssemblyCreator
STEP fileを読んでG4AssemblyがG4PlacedSolidを作るための情報を用意する
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20. CAD interface G4AssemblyCreator MyAC("tracker.stp");
MyAC.ReadStepFile();
STEPentity* ent=0;
MyAC.CreateG4Geometry(*ent);
void *pl = MyAC.GetCreatedObject();
G4Assembly* assembly = new G4Assembly();
assembly->SetPlacedVector(*(G4PlacedVector*)pl);
G4int solids = assembly->GetNumberOfSolids();
for(G4int c=0; c<solids; c++) {
G4PlacedSolid* ps = assembly->GetPlacedSolid(c);
G4LogicalVolume* lv =
new G4LogicalVolume(ps->GetSolid(), Lead, "STEPlog");
G4RotationMatrix* hr = ps->GetRotation();
G4ThreeVector* tr = ps->GetTranslation();
G4VPhysicalVolume* pv =
new G4PVPlacement(hr, *tr, ps->GetSolid()->GetName(),
lv, experimentalHall_phys, false, c); }
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