Geant4(GEometry ANd Tracking，几何和跟踪) 是由 CERN(欧洲核子研究组织) 基于 C++ 面向对象技术开发的蒙特卡罗应用软件包，用于模拟粒子与物质的相互作用，在高能物理、加速器、核物理、辐射防护等多个领域都有着广泛的应用。

安装

环境要求

MSVC
只要求 MSVC 版本为 19.X.X.X，不要求 Visual Studio 版本为 VS 2019，通过在 VS 中打开 isual Studio Tools (工具) → Developer Command Prompt for VS201X (Visual Studio 命令提示) 可以查看 MSVC 版本：

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>cl
用于 x86 的 Microsoft (R) C/C++ 优化编译器 19.31.31104 版
版权所有(C) Microsoft Corporation。保留所有权利。

用法: cl [ 选项... ] 文件名... [ /link 链接选项... ]

Qt
必须是 Qt5，目前暂不支持 Qt6，推荐使用 Qt 5.15 LTS。

安装前准备

CMaKe

推荐使用 Scoop 进行安装，可以方便的进行版本更新，自动添加环境变量等：

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scoop install cmake

Qt（可选）

Qt 是一个可选项，可以美化 Geant4 的 GUI 显示，注意版本必须为 5.X.X，目前最新的 LTS 版本是 5.15.3。从下载页面获取在线安装程序，本过程需要 Qt 账号，可以提前在官网注册好。

在选择组件界面可以选择 Qt 的版本，以 5.15.2 为例，我们只需要其中的 MSVC 2019 部分，其余可根据需要自行选择：

图1 Qt的安装
图 1 Qt 的安装

安装完成后，找到安装目录下的动态链接库目录，如 D:\Qt\5.15.2\msvc2019_64\bin，将其添加至环境变量中的 PATH。

Geant4

从 Github 下载 Geant4 的源代码文件，解压至 D:\Geant4\source 目录下。

编译安装

无 Qt

无 Qt 版本的编译安装较为简单，进入 D:\Geant4 目录，创建 build 文件夹并进入：

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> cd D:\Geant4
> mkdir build
> dir /B
build
source
> cd build

随后运行 CMaKe：

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cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="D:\Geant4\disk" "D:\Geant4\source"

其中 CMAKE_INSTALL_PREFIX 用于设置安装路径，即安装 Geant4 库、头文件和支持文件的目录，必须为绝对路径。后者为源代码的目录，可以为相对路径。Geant4 还有很多的可选编译选项，可以查阅 Geant4 Build Options。

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> cmake -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="D:\Geant4\disk" "D:\Geant4\source"
-- Building for: Visual Studio 17 2022
-- Selecting Windows SDK version 10.0.19041.0 to target Windows 10.0.19043.
-- The C compiler identification is MSVC 19.31.31104.0
-- The CXX compiler identification is MSVC 19.31.31104.0

......

-- The following Geant4 features are enabled:
CMAKE_CXX_STANDARD: Compiling against C++ Standard '17'
GEANT4_BUILD_MULTITHREADED: Build multithread enabled libraries

-- Configuring done
-- Generating done
-- Build files have been written to: D:/Geant4/build

一般情况下你会看到警告，这只是一个建议项，提醒我们安装进行模拟所必须的数据文件，不影响后续的安装，可以等到安装完成后自行下载解压。

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*WARNING*
  Geant4 has been pre-configured to look for datasets
  in the directory:

  D:\Geant4\disk\share\Geant4-11.0.1\data

  but the following datasets are NOT present on disk at
  that location:

经过上面的步骤，CMaKe 会生成一个 Visual Studio 的解决方案，当然我们也可以通过命令行直接进行安装，注意我们选用了 Release 项，这是因为 Geant4 的 Debug 配置优化不是很好，不能带来最佳的性能。

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> cmake --build . --config Release --target install

Qt

带有 Qt 的编译安装较为繁琐，所以我们可以借助 CMaKe-GUI 进行配置。选择源代码目录 D:\Geant4\source 和构建目录 D:\Geant4\source 后，我们添加一个配置项为 CMAKE_PREFIX_PATH，类型为 PATH，值为 Qt 动态链接库的上一级目录（如 D:\Qt\5.15.2\msvc2019_64），随后点击左下角的 Configure 按钮。

图2 CMAKE_PREFIX_PATH配置项
图 2 CMAKE_PREFIX_PATH 配置项
图3 CMaKe的Qt配置
图 3 CMaKe 的 Qt 配置

随后，我们在自动添加的配置项中，将 CMAKE_INSTALL_PREFIX（安装目录）设置为 D:\Geant4\disk，将 GEANT4_BUILD_MULTITHREADED（多线程编译）勾选，将 GEANT4_USE_OPENGL_WIN32 和 GEANT4_USE_QT 勾选启用 Qt，再次点击左下角的 Configure 按钮，CMaKe 会自动帮助进行 Qt 的进一步配置，确认无误后再次点击左下角的 Configure 按钮，当所有的配置项均变为白色时，则配置完成，点击 Configure 右侧的 Generate 进行生成。

图4 CMaKe的Qt配置2
图 4 CMaKe 的 Qt 配置 2
图5 CMaKe的Qt配置3
图 5 CMaKe 的 Qt 配置 3

点击 Generate 右侧的 Open Project 在 Visual Studio 中打开项目，在解决方案资源管理器中，选中 ALL_BUILD 到 INSTALL 中间的所有项目，打开属性（上端的扳手按钮），启用多处理器编译选项。

图6 CMaKe的Qt构建1
图 6 CMaKe 的 Qt 构建 1
图7 CMaKe的Qt构建2
图 7 CMaKe 的 Qt 构建 2

然后在 ALL_BUILD 项目上点击右键，再点击生成 (Build)，等待结束后在 INSTALL 项目上点击右键，再点击生成 (Build)，即可完成编译安装。

安装后配置

在环境变量中添加 D:\Geant4\dist\bin。

在 Download 页面下载好数据文件，目前总计 12 个，约 2G 大小，将其解压至 D:\Geant4\dist\share\Geant4-11.0.1\data 目录下（data 文件夹可能需要自己创建），解压后目录结构如下：

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D:\GEANT4\DIST\SHARE\GEANT4-11.0.1\DATA
|---G4ABLA3.1
│   |---*.dat
│   `---sub directory
|---G4EMLOW8.0
|---G4ENSDFSTATE2.3
|---G4INCL1.0
|---G4NDL4.6
|---G4PARTICLEXS4.0
|---G4PII1.3
|---G4SAIDDATA2.0
|---G4TENDL1.4
|---PhotonEvaporation5.7
|---RadioactiveDecay5.6
`---RealSurface2.2

随后运行 D:\Geant4\dist\bin 目录下的 geant4.csh 文件，复制设置环境变量的一段，并进行修改，将结果保存至 reg.bat 文件中并运行。

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setx G4NEUTRONHPDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4NDL4.6
setx G4LEDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4EMLOW8.0
setx G4LEVELGAMMADATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/PhotonEvaporation5.7
setx G4RADIOACTIVEDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/RadioactiveDecay5.6
setx G4PARTICLEXSDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4PARTICLEXS4.0
setx G4PIIDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4PII1.3
setx G4REALSURFACEDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/RealSurface2.2
setx G4SAIDXSDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4SAIDDATA2.0
setx G4ABLADATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4ABLA3.1
setx G4INCLDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4INCL1.0
setx G4ENSDFSTATEDATA D:/Geant4/dist/share/Geant4-11.0.1/data/G4ENSDFSTATE2.3

示例

example B1

B1 是用于计算吸收剂量的。几何模型可见图 8，半透明的蓝色长方体中填充了水（G4_WATER），外界为空气。在长方体内部有两个物体，第一个圆台状物体的材料为人体组织（G4_A-150_TISSUE），第二个梯形状物体的材料为骨（G4_BONE_COMPACT_ICRU）。

粒子从圆台状物体的前方入射，分布范围是长方体前侧面积的 80%，从图 9 可以看出，有些粒子在长方体内与水发生反应，直接散射出去；有些粒子直接射在骨中；有些粒子经过组织后入射到骨中。通过计算粒子在骨中沉积的能量，再除以骨的质量，我们可以得到整个骨的平均吸收剂量。

图8 B1的几何体
图 8 B1 的几何体
图9 B1粒子入射模拟
图 9 B1 粒子入射模拟

试运行

在 D:\Geant4\dist\share\Geant4-11.0.1\examples 目录下有很多 Geant4 的示例代码，我们将 basic/B1 示例复制到 ~/exampleB1 目录下，改名为 source，并创建同级目录 build：

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> mkdir -p ~/exampleB1/source
> Copy-Item D:\Geant4\dist\share\Geant4-11.0.1\examples\B1 -Recurse ~/exampleB1/source
> mkdir -p ~/exampleB1/build

进入 build 目录进行构建，Geant4_DIR 是 Geant4 库文件的安装目录，CMAKE_INSTALL_PREFIX 是最终文件的目录：

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> cd build
> cmake -DGeant4_DIR="D:\Geant4\dist\lib\Geant4-11.0.1" -DCMAKE_INSTALL_PREFIX="~/exampleB1/disk" "~/exampleB1/source"

构建后会在 build 目录下生成一个.sln 文件，可以使用 Visual Studio 打开并编译，也可以使用命令行如下：

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> cmake --build . --config Release --target install

编译后会在 ~/exampleB1/disk/bin 目录下生成一个.exe 文件，运行该文件还需要.mac 文件，因此我们复制 build 目录下的所有.mac 文件到 ~/exampleB1/disk/bin 目录下，进入 ~/exampleB1/disk/bin 目录，运行.exe 文件。

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> cp *.mac ~\exampleB1\disk\bin\
> cd ~/exampleB1/disk/bin
> .\exampleB1.exe
图10 exampleB1
图 10 exampleB1

分析 

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.
|-- include
|   |-- *.hh
|-- src
|   `-- *.cc
|-- CMakeLists.txt
|-- GNUmakefile
|-- exampleB1.cc
`-- *.mac

目录下主要有 include 和 src 两个目录，存放的是自定义的头文件及其源文件；CMakeLists.txt，GNUmakefile 是用于编译的配置文件，我们只需要用到 CMakeLists.txt；exampleB1.cc 是程序的主文件，程序入口也在该文件中；*.mac 可以存储需要运行的命令，作为脚本运行。

Geant4 中主要有 4 个概念，分别为 Run，Event，Step，Track：

  • Run：一次模拟过程，注意一个程序中可以进行多次模拟
  • Event：一次入射事件，每次入射事件可能入射多个粒子，注意包含次级粒子的反应过程
  • Step：某个粒子一次模拟的过程，是模拟的最小单位，包含有起始位置、花费时间、能量增量等粒子信息
  • Track：粒子的信息，包含有该粒子的 Step 的信息
图11 Geant4概念的联系
图 11 Geant4 概念的联系

在 Geant4 中，有一些类需要有用户自行定义，其中某些类是必须的（强制类）。在主程序中，我们需要自己编写 main 函数，并至少创建运行管理类，将强制类设置到运行管理类中。下面我们按照模拟的流程介绍 B1 示例，其中 G4VUserDetectorConstruction、G4VUserPhysicsList 和 G4VUserPrimaryGeneratorAction（或其派生类）是 Geant4 的 3 个强制类。

几何体类

我们需要从 G4VUserDetectorConstruction 类派生出具体类，并且在虚函数 Construct 中定义几何体的几何框架、材料，并进行放置。在 DetectorConstruction.hh 文件中，我们定义了 DetectorConstruction 类，其中 Construct 将会实现具体的构造，而 fScoringVolume 用于计算剂量，指定为梯形状物体（即 shape2）。

DetectorConstruction.hh
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class DetectorConstruction : public G4VUserDetectorConstruction {
public:
    DetectorConstruction();            // 构造
    ~DetectorConstruction() override;  // 构析
    G4VPhysicalVolume* Construct() override;  // 函数，描述探测器，返回物理体
    G4LogicalVolume* GetScoringVolume() const { return fScoringVolume; }  // 自定义计数函数 返回指针fScoringVolume
protected:
    G4LogicalVolume* fScoringVolume = nullptr;  // 用于计数
};

Geant4 中一个几何体需要设置几何框架（solid）、材料（logic）、放置（physical）等操作，其中最大的几何体被称为 World volume，它应该所有其他的几何体。

定义几何框架首先需要指定形状，例如长方体、圆柱、空心圆柱、圆锥等等（可参见 Solids）。在本例中使用的是长方体，需要注意的是尺寸都是半数：

DetectorConstruction.cc
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G4Box* solidWorld = new G4Box("World", x_length, y_length, z_length);

随后我们需要查找材料，部分材料在前文已经提到过，例如水（G4_WATER）、组织（G4_A-150_TISSUE）、骨（G4_BONE_COMPACT_ICRU）和空气（G4_AIR）等等（可参见 Material）。材料的管理是通过 G4NistManager 类实现的：

DetectorConstruction.cc
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G4NistManager* nist = G4NistManager::Instance();
G4Material* world_mat = nist->FindOrBuildMaterial("G4_AIR");

然后将几何框架与材料结合，构建 Logical Volumes，只负责记录物体的几何特性，并增加了物理特性，包括材料、探针、磁场等，而不记录物体的位置信息：

DetectorConstruction.cc
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G4LogicalVolume* logicWorld = new G4LogicalVolume(solidWorld, world_mat, "World");

最后需要将几何体放置到环境中，使用 G4PVPlacement 进行，返回值是一个 Logical Volumes 的实例，被称为 Physical Volume。由于 Construct 函数需要返回最大环境的物理体，因此我们通过 physWorld 变量进行这一操作：

DetectorConstruction.cc
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G4VPhysicalVolume* physWorld = new G4PVPlacement(0,                // 旋转
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                                                logicWorld,       // 材料
                                                "World",          // 名称
                                                0,                // 母体环境（Mother Volume）
                                                false,            // no boolean operation
                                                0,                // copy number
                                                true);            // overlaps checking

仿照上面的过程，我们可以定义水箱 Envelope、圆台状物体 Shape1 和梯形状物体 Shape2，并且将它们放置在 Mother Logical Volumes 中，而且 Logical Volumes 中可以包含多个物体：

DetectorConstruction.cc
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G4Material* env_mat = nist->FindOrBuildMaterial("G4_WATER");
G4Box* solidEnv = new G4Box("Envelope", x_length, y_length, z_length);
G4LogicalVolume* logicEnv = new G4LogicalVolume(solidEnv,     // 几何框架
                                                env_mat,      // 材料
                                                "Envelope");  // 名称
new G4PVPlacement(0, G4ThreeVector(), logicEnv, "Envelope", logicWorld,   // Mother Logical Volumes，即 World
                  false, 0, true);

...shape1...
new G4PVPlacement(0, pos1, logicShape1, "Shape1", logicEnv, false, 0, true);

...shape2...
new G4PVPlacement(0, pos2, logicShape2, "Shape2", logicEnv, false, 0, true);
物理类

G4VUserPhysicsList 或其派生类用于定义模拟中使用的所有粒子、物理过程和截止范围，而物理过程用于描述粒子与材料的相互作用过程。PhysicsList 是需要由用户指定或定义的类，一般情况下我们都会使用 Geant4 提供的物理过程，例如本例中的 QBBC 一般用于医学剂量评估和空间辐射物理的模拟，适用于需要精确模拟质子和中子的低能量传输的场景，对于薄靶实验，当粒子能量低于 1 GeV 时，有很好的效果。

exampleB1.cc
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G4VModularPhysicsList* physicsList = new QBBC;
主事件生成类

产生初级粒子的 Event 被称为 Primary Events，我们可以理解为粒子源，由 G4VUserPrimaryGeneratorAction 或其派生类进行定义，而实际粒子的产生则有 G4VPrimaryGenerator 或其派生类负责。G4VuserPrimaryGeneratorAction 有一个函数为 GeneratePrimaries，在每个 Event 开始时都会调用此方法。

PrimaryGeneratorAction.hh
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class PrimaryGeneratorAction : public G4VUserPrimaryGeneratorAction {
public:
    PrimaryGeneratorAction();
    ~PrimaryGeneratorAction() override;
    void GeneratePrimaries(G4Event*) override;
    const G4ParticleGun* GetParticleGun() const { return fParticleGun; }
private:
    G4ParticleGun* fParticleGun = nullptr;
    G4Box* fEnvelopeBox = nullptr;
};

在 GeneratePrimaries 我们需要使用 G4VPrimaryGenerator 或其派生类生成实际的粒子。Geant4 为我们提供了 3 个具体的类为：G4ParticleGun，G4GeneralParticleSource（被称为 GPS）和 G4HEPEvtInterface，在 B1 中使用的是 G4ParticleGun。

G4ParticleGun 可以生成具有给定动量和位置的初级粒子，不提供任何类型的随机化过程，但是在实际应用中我们经常需要一定的位置、能量的随机化，在 B1 例子中就需要在长方体前向面的 80% 范围内随机粒子的位置。我们可以在 GeneratePrimaries 函数中，调用自己编写的随机函数，生成随机的位置赋予给 G4ParticleGun，然后再生成粒子。与 G4ParticleGun 相比，G4GeneralParticleSourceGPS 可以定义初级粒子的能谱、空间和角分布等信息，可以更加灵活地实现随机源的生成。

PrimaryGeneratorAction.cc
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void PrimaryGeneratorAction::GeneratePrimaries(G4Event* anEvent) {
    // 几何参数用于调整源的空间分布
    G4double envSizeXY = xy;
    G4double envSizeZ = z;
    G4double size = 0.8;
    G4double x0 = size * envSizeXY * (G4UniformRand() - 0.5);
    G4double y0 = size * envSizeXY * (G4UniformRand() - 0.5);
    G4double z0 = -0.5 * envSizeZ;
    // 设置此次的位置并发射
    fParticleGun->SetParticlePosition(G4ThreeVector(x0, y0, z0));  
    fParticleGun->GeneratePrimaryVertex(anEvent);
}

当然，在 Event 之前我们需要初始化，创建 G4ParticleGun 实例，并在 Event 结束后销毁。

PrimaryGeneratorAction.cc
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PrimaryGeneratorAction::PrimaryGeneratorAction() {
    // 初始化粒子枪，每个 event 有 n_particle 个粒子
    G4int n_particle = 1;
    fParticleGun = new G4ParticleGun(n_particle);
    // 粒子列表的查找器
    G4ParticleTable* particleTable = G4ParticleTable::GetParticleTable();
    // 设置为 6 MeV 沿 z 轴正方向的 gamma 源
    G4ParticleDefinition* particle = particleTable->FindParticle("gamma");
    fParticleGun->SetParticleDefinition(particle);
    fParticleGun->SetParticleMomentumDirection(G4ThreeVector(0., 0., 1.));
    fParticleGun->SetParticleEnergy(6. * MeV);
}

PrimaryGeneratorAction::~PrimaryGeneratorAction() { delete fParticleGun; }
用户行为类

对于模拟中 Run，Event，Step，Track 等各个阶段，我们都可以自定义相应的行为，来实现我们需要的效果，例如统计某个物体内的沉积能量，剂量随深度的变化曲线等等。

在 B1 中我们需要获取几何体 Shape2 的吸收剂量，所以我们需要获得粒子在其中损失的能量，这一部分信息被记录在 Step 中，因此可以根据以下的逻辑实现吸收剂量的统计：判断当前 Step 是否在 Shape2 中，如果在，则将沉积能量累加给当前 Event 的一个统计变量 eDep，在当前 Event 结束时，再将 eDep 统计给当前 Run，在当前 Run 结束时，通过计算总沉积能量与 Shape2 的质量比值来得到吸收剂量。

图12 B1统计吸收剂量的流程
图 12 B1 统计吸收剂量的流程

相应的，我们需要在 Run，Event，Step 这 3 个阶段，定义行为来实现统计与返回：

SteppingAction.hh
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class EventAction;

class SteppingAction : public G4UserSteppingAction {
public:
    SteppingAction(EventAction* eventAction);
    ~SteppingAction() override;
    // 每个 step 调用一次
    void UserSteppingAction(const G4Step*) override;
private:
    EventAction* fEventAction = nullptr;
    G4LogicalVolume* fScoringVolume = nullptr;
};

// SteppingAction.cc

// 初始化 fEventAction，即获取到当前 Step 所在的 Event
SteppingAction::SteppingAction(EventAction* eventAction) : fEventAction(eventAction) {}  

// 每个 step 调用一次
void SteppingAction::UserSteppingAction(const G4Step* step) {
    // 这段代码的目的是获得 Shape2 所代表的 Logical Volume
    if (!fScoringVolume) {
        const DetectorConstruction* detConstruction =
            static_cast<const DetectorConstruction*>(G4RunManager::GetRunManager()->GetUserDetectorConstruction());
        fScoringVolume = detConstruction->GetScoringVolume();
    }
    // 获取当前的 Volume
    G4LogicalVolume* volume = step->GetPreStepPoint()->GetTouchableHandle()->GetVolume()->GetLogicalVolume();
    // 检查是否在计算的 Volume （Shape 2）
    if (volume != fScoringVolume) return;
    // 获取当前 step 的沉积能量
    G4double edepStep = step->GetTotalEnergyDeposit();
    fEventAction->AddEdep(edepStep);
}
EventAction.hh
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class RunAction;

class EventAction : public G4UserEventAction {
public:
    EventAction(RunAction* runAction);
    ~EventAction() override;
    void BeginOfEventAction(const G4Event* event) override;
    void EndOfEventAction(const G4Event* event) override;
    // 对每个 step 累加，最后一个 step 输出一个 event 的能量沉积
    void AddEdep(G4double edep) { fEdep += edep; }

private:
    RunAction* fRunAction = nullptr;
    G4double fEdep = 0.;
};

// EventAction.cc

// 初始化 fEventAction，即获取到当前 Event 所在的 Run
EventAction::EventAction(RunAction* runAction) : fRunAction(runAction) {}

void EventAction::BeginOfEventAction(const G4Event*) { fEdep = 0.; }

void EventAction::EndOfEventAction(const G4Event*) {
    // 将 event 中的沉积能量返回给 run
    fRunAction->AddEdep(fEdep);
}
RunAction.hh
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class RunAction : public G4UserRunAction {
public:
    RunAction();
    ~RunAction() override;
    void BeginOfRunAction(const G4Run*) override;  // Run 开始时执行
    void EndOfRunAction(const G4Run*) override;    // Run 结束时执行
    void AddEdep(G4double edep);  // 计算累计沉积的能量

private:
    G4Accumulable<G4double> fEdep = 0.;
    G4Accumulable<G4double> fEdep2 = 0.;
};

// RunAction.cc

void RunAction::EndOfRunAction(const G4Run* run) {
    // event 的数目
    G4int nofEvents = run->GetNumberOfEvent();
    if (nofEvents == 0) return;
    // 合并累加的值
    G4AccumulableManager* accumulableManager = G4AccumulableManager::Instance();
    accumulableManager->Merge();
    // 计算总沉积能量
    G4double edep = fEdep.GetValue();
    // 剂量 =  / 质量
    const DetectorConstruction* detConstruction =
        static_cast<const DetectorConstruction*>(G4RunManager::GetRunManager()->GetUserDetectorConstruction());
    G4double mass = detConstruction->GetScoringVolume()->GetMass();
    G4double dose = edep / mass;
}
图13 统计过程中的调用关系（点击放大）
图 13 统计过程中的调用关系（点击放大）
初始化与管理类

实现了各种强制类和用户行为的定义后，我们需要回到 main 函数，将这些类添加到运行中，其中首先要做的就是创建 G4RunManager 类的一个实例，它负责管理整个模拟进程的运行与循环，有多线程下的 G4MTRunManager 类和其他情况下的 G4RunManager 类两种，通过 G4RunManagerFactory 可以自动识别是否创建多线程类。

exampleB1.cc
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auto* runManager = G4RunManagerFactory::CreateRunManager(G4RunManagerType::Default);

G4RunManager 还负责进行初始化，即前文所说的强制类与用户行为。为了方便进行初始化，我们从 G4VUserActionInitialization 派生出 ActionInitialization 用于统筹所有的用户自定义行为和粒子生成：

ActionInitialization.hh
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class ActionInitialization : public G4VUserActionInitialization {
public:
    ActionInitialization();
    ~ActionInitialization() override;

    void BuildForMaster() const override;  // 多线程的用户行为初始化
    void Build() const override;           // 单线程的用户行为初始化
};

void ActionInitialization::BuildForMaster() const {
    RunAction* runAction = new RunAction;
    SetUserAction(runAction);
}

// ActionInitialization.cc

void ActionInitialization::Build() const {
    SetUserAction(new PrimaryGeneratorAction);
    RunAction* runAction = new RunAction;
    SetUserAction(runAction);
    EventAction* eventAction = new EventAction(runAction);
    SetUserAction(eventAction);
    SetUserAction(new SteppingAction(eventAction));
}

随后我们在 G4RunManager 中设置用户初始化为 ActionInitialization，同时加入其他的强制类：

exampleB1.cc
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runManager->SetUserInitialization(new DetectorConstruction());
runManager->SetUserInitialization(new QBBC);
runManager->SetUserInitialization(new ActionInitialization());
运行模式

Geant4 的运行可以分为 4 种模式：写在代码中的纯硬编码批处理模式、读取文件（macro of commands）的批处理模式、基于命令行的交互模式、基于图形界面的交互模式。一般情况下我们会使用图形界面的交互模式进行 Debug 与展示，通过读取文件的批处理模式进行实际模拟，因此我们也可以在代码中实现两种模式的切换。

在 main 函数的参数中，会有 argc 提供命令参数的个数，字符串数组 argv 提供具体的命令参数，而默认的第一个参数是可执行文件本身，因此我们可以根据参数的个数，进行模式的判断：

exampleB1.cc
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int main(int argc, char** argv) {
    // argc 为 1 时，说明参数只有可执行文件本身，运行在GUI模式下
    // 如果 argc 不为 1，则运行在 batch mode，例如 example.exe run1.mac
    G4UIExecutive* ui = nullptr;
    if (argc == 1) {
        ui = new G4UIExecutive(argc, argv);
    }
    ...
    // 根据模式，选择开始进行模拟，或打开GUI
    if (!ui) {
        // batch mode via reading a macro of commands
        G4String command = "/control/execute ";
        G4String fileName = argv[1];
        UImanager->ApplyCommand(command + fileName);
    } else {
        // interactive mode via a Graphical User Interface
        UImanager->ApplyCommand("/control/execute init_vis.mac");
        ui->SessionStart();
        delete ui;
    }
}
常用命令

在读取文件的批处理模式下，我们将需要用到的命令保存在.mac 文件中，我们可以通过命令更改初始条件，指定发射粒子的类别、位置、能量等信息，改变几何、角度等。其中最常用的两条命令为：

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/run/initialize     // 初始化
/run/beamOn 1000    // 运行一次模拟，包含1000个粒子

此外，比较常用的命令还有：

  1. 粒子枪
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/gun/particle proton   // 设定为光子
/gun/energy 210 MeV    // 能量为 210 MeV
...
  1. 输出控制
    许多类都有一个 verbose 表示，用于控制输出的详细程度，当 verbose=0 时，不会有任何输出，后面的数字越大输出越详细，最大为 4。
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/run/verbose 2
/event/verbose 1
/tracking/verbose 0
...
  1. 网格划分
    推荐观看在 Geant4 中关于 Command-based Scoring 基于命令计数器的用法
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/score/create/boxMesh water_box          // 定义一个网格
/score/mesh/boxSize 319. 315. 277.5 mm   // 设置尺寸
/score/mesh/nBin 1 1 555                 // 分bin的数目

/score/quantity/energyDeposit eDep       // 想要获取的物理信息：剂量
/score/quantity/doseDeposit Dose         // 想要获取的物理信息：沉积能量

/score/dumpQuantityToFile water_box eDep eDep_1.txt   // 导出获取的物理信息：剂量
/score/dumpQuantityToFile water_box Dose Dose_1.txt   // 导出获取的物理信息：沉积能量

更多的命令或者命令的说明，可以在 GUI 模式下的左侧帮助手册中查询，也可以查看推荐阅读材料中的 Geant4 Commands 进行在线查询。

水箱模型

放疗水箱常用于放疗装置的剂量校准，其尺寸为（x=638mm，y=630mm，z=555mm）。现假设一笔形束从 x-y 平面中心处，自水箱外向下射入放疗水箱。请用 Geant4 模拟计算不同能量的光子（1MeV、5MeV、10MeV）入射后在放疗水箱的 z 方向上的吸收剂量变化曲线。

这是一个非常简单的示例，首先定义几何体：

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G4NistManager* nist = G4NistManager::Instance();
G4Box* solid_world = new G4Box("world", 638 / 2 * mm, 630 / 2 * mm, 555. / 2 * mm);
G4LogicalVolume* logic_world = new G4LogicalVolume(solid_world, nist->FindOrBuildMaterial("G4_WATER"), "world");
G4VPhysicalVolume* physics_world = new G4PVPlacement(0, G4ThreeVector(), logic_world, "world", 0, false, 0, true);

随后在.mac 中进行网格划分与模拟：

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/score/create/boxMesh water_box
/score/mesh/boxSize 319. 315. 277.5 mm
/score/mesh/nBin 1 1 555
/score/quantity/energyDeposit eDep
/score/quantity/doseDeposit Dose
/score/close

/gun/particle gamma
/gun/energy 1 MeV
/run/beamOn 100000
/score/dumpQuantityToFile water_box eDep eDep_1.txt
/score/dumpQuantityToFile water_box Dose Dose_1.txt

/gun/energy 5 MeV
/run/beamOn 100000
/score/dumpQuantityToFile water_box eDep eDep_5.txt
/score/dumpQuantityToFile water_box Dose Dose_5.txt

/gun/particle gamma
/gun/energy 10 MeV
/run/beamOn 100000
/score/dumpQuantityToFile water_box eDep eDep_10.txt
/score/dumpQuantityToFile water_box Dose Dose_10.txt

其余部分参考 B1 示例。

附录

示例源码

  1. exampleB1 带注释代码
  2. 水箱模型

CMakeLists

很多人在尝试编译示例时，会有以下错误：

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CMake Error at CMakeLists.txt:16 (find_package):
By not providing "FindGeant4.cmake" in CMAKE_MODULE_PATH this project has
asked CMake to find a package configuration file provided by "Geant4", but
CMake did not find one.

Could not find a package configuration file provided by "Geant4" with any
of the following names:

Geant4Config.cmake
geant4-config.cmake

Add the installation prefix of "Geant4" to CMAKE_PREFIX_PATH or set
"Geant4_DIR" to a directory containing one of the above files.  If "Geant4"
provides a separate development package or SDK, be sure it has been
installed.

可以在 CMakeLists.txt 文件中添加一行即可解决：

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cmake_minimum_required(VERSION 3.16)
set(Geant4_DIR D:/Geant4/dist/lib/Geant4-11.0.1)
project(exampleB0)
...

参考资料

  1. Installation Guide
  2. Geant4 入门教程
  3. Geant4 学习 —— 入门 (基本概念、Geant4 工具包的结构、强制类、可选类)
  4. Geant4–是怎样使用的？–（1. 信息抽取）
  5. Geant4 入门讲解篇 - 1

推荐阅读

  1. Book For Application Developers
  2. Physics Reference Manual
  3. Guide for Physics Lists
  4. Geant4 Commands
  5. liuchangqi
  6. 在 Geant4 中关于 Command-based Scoring 基于命令计数器的用法