بررسی فرآیندهای فیزیکی در Geant4؛ از ذرات بنیادی تا شبیه سازی های پیچیده
چکیده:
Geant4 یک toolkit شبیه سازی برای ردیابی عبور ذرات از میان ماده است که در زمینه های فیزیک انرژی بالا، فیزیک هسته ای، پزشکی (پرتو درمانی و تصویربرداری)، فضایی و امنیت تشعشعی کاربرد گستردهای دارد. قلب هر شبیه سازی در Geant4، "فرآیندهای فیزیکی" هستند که چگونگی برهمکنش ذرات با محیط را توصیف میکنند. این مقاله به بررسی جامع انواع این فرآیندها، از الکترومغناطیس و هادرونی تا نوری و واپاشی، می پردازد و نقش حیاتی آنها در ایجاد شبیه سازیهای دقیق و قابل اعتماد را روشن می سازد.
فهرست مطالب
۱. مقدمه: فلسفه ی فرآیندها در Geant4
در Geant4، هر برهمکنش فیزیکی که برای یک ذره رخ میدهد، توسط یک شیء از کلاس G4VProcess یا زیرکلاسهای آن مدلسازی میشود. برخلاف بسیاری از نرم افزارهای شبیه سازی که یک مدل ثابت ارائه میدهند، Geant4 رویکردی ماژولار دارد. این به کاربر اجازه میدهد تا برای هر ذره، مجموعه ی دقیقی از فرآیندهای فیزیکی که مربوط به مسئله ی اوست را انتخاب و حتی در صورت نیاز، فرآیندهای سفارشی خود را توسعه دهد.
هر فرآیند سه مسئولیت اصلی دارد:
1. محاسبه طول گام فیزیکی (Physics Step Length): تعیین میکند ذره تا برخورد بعدی چقدر پیش میرود.
2. انجام عمل (Do It): انجام برهمکنش و محاسبه ی محصولات نهایی (مانند ثانویه ها، تغییر جهت و انرژی).
3. ایجاد ثانویه ها (Post-Step Do It): تولید ذرات ثانویه حاصل از برهمکنش.
۲. دسته بندی عملکردی فرآیندها
· فرآیندهای قطعی (Discrete Processes): این فرآیندها در نقطهی خاصی روی مسیر ذره رخ میدهند، مانند واپاشی یا پراکندگی کامپتون.
· فرآیندهای مستمر (Continuous Processes): این فرآیندها به طور مستمر در طول مسیر ذره بر آن اثر میگذارند، مانند تلفان انرژی یونسازی یا پراکندگی چندگانه.
· فرآیندهای مستمر-قطعی (Continuous-Discrete): ترکیبی از هر دو هستند. ، یک ذرهی باردار به طور مستمر انرژی از دست میدهد (یونسازی) و در نقطهای مشخص ممکن است یک فوتون تابش ترمزی تولید کند (گسسته).
۳. انواع فرآیندهای فیزیکی (بر اساس نوع برهمکنش)
این دسته بندی اصلی ترین بخش شبیه سازی را تشکیل میدهد.
۳.۱. فرآیندهای انتقالی (Transportation Processes)
· عملکرد: مدیریت حرکت کلی ذره در هندسه و برخورد با مرزها.
o مهمترین نمونه: G4Transportation این فرآیند برای همه ی ذرات فعال است و مسئولیت حرکت دادن ذره در فضای شبیه سازی، بررسی برخورد با مرزهای حجم های هندسی، و اعمال شرایط مرزی را بر عهده دارد. این فرآیند ابتدا و پیش از هر فرآیند دیگری مورد ارزیابی قرار میگیرد.
۳.۲. فرآیندهای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Processes)
این پرکاربردترین و گسترده ترین مجموعه فرآیندها هستند که برای شبیه سازی ردیاب های ذرات، دزیمتری در پرتو درمانی، و فیزیک هسته ای ضروری اند.
· برای ذرات باردار سنگین (پروتون، آلفا، یونها، میونها):
· یونسازی )G4hIonisation(: تلفان انرژی اولیهی ذرات باردار در ماده از طریق برهمکنش با الکترونهای اتم.
· پراکندگی چندگانه )G4MultipleScattering(: انحراف زاویهای ذره در اثر برهمکنشهای متعدد و کوچک با هستههای اتمی. این فرآیند برای همهی ذرات باردار ضروری است.
· تابش ترمزی )G4Bremsstrahlung(: گسیل فوتون در هنگام شتابگیری )یا کند شدن) ذرهی باردار در میدان Coulomb هسته. در انرژیهای بالا مهم است.
· برای الکترونها و پوزیترونها )G4e-, G4e+(:
o علاوه بر موارد بالا، فرآیندهای خاص خود را دارند:
o یونسازی الکترون )G4eIonisation(
o تابش ترمزی الکترون )G4eBremsstrahlung(
o نابودی پوزیترون )G4eplusAnnihilation(: هنگامی که یک پوزیترون با یک الکترون برخورد میکند و به دو یا چند فوتون گاما تبدیل میشود.
· برای فوتونها )G4Gamma(:
o اثر فوتوالکتریک )G4PhotoElectricEffect(: جذب کامل فوتون و بیرون انداختن یک الکترون از لایهی اتم.
o پراکندگی کامپتون )G4ComptonScattering(: پراکندگی فوتون توسط یک الکترون تقریباً آزاد که منجر به کاهش انرژی فوتون میشود.
o تبدیل به جفت )G4GammaConversion(: تبدیل فوتون پرانرژی به یک جفت الکترون-پوزیترون در میدان هسته.
o پراکندگی رایلی )G4RayleighScattering(: پراکندگی همدوس فوتون توسط یک اتم کامل، بدون تلفان انرژی.
۳.۳. فرآیندهای هادرونی (Hadronic Processes)
این فرآیندها برهمکنش ذرات هادرونی )پروتون، نوترون، پیون، کائون و...) با هسته های اتمی را توصیف میکنند و بسیار پیچیده هستند. انتخاب مدل مناسب به انرژی ذره ی فرودی بستگی دارد.
· برهمکنش های الاستیک )G4HadronElasticProcess(: برخوردی که در آن هستهی هدف تحریک یا شکسته نمیشود و تنها انرژی جنبشی بین ذره و هسته مبادله میگردد.
· برهمکنش های غیرالاستیک )G4HadronInelasticProcess(: مهمترین نوع برهمکنش که منجر به تحریک، شکافت، تولید ذرات جدید یا نابودی هسته میشود.
o مدلهای مورد استفاده:
§ انرژی پایین (عموماً < ۲۰ MeV): از داده های کتابخانهای تجربی )مثلاً G4NeutronHPThermalScattering( برای دقت بسیار بالا استفاده میکند.
§ انرژی متوسط )محدودهی GeV): از مدلهای نیمه تجربی مانند G4BertiniCascade (درون یک هسته) استفاده میشود.
§ انرژی بالا (> ۱۰-۲۰ GeV): از مدلهای نظری مبتنی بر کرومودینامیک کوانتومی (QCD) مانند G4FTFModel (Quark-Gluon String) استفاده میشود.
· فرآیندهای جذب (Capture): جذب ذره (مثلاً نوترون thermal) توسط هسته.
· شکافت هسته ای (Fission): شکستن هستهی سنگین به دو یا چند هستهی سبکتر.
۳.۴. فرآیندهای واپاشی (Decay Processes)
· عملکرد: مدلسازی واپاشی ذرات و هستههای ناپایدار.
· مهمترین نمونهها:
o واپاشی ذرات (G4Decay(: واپاشی عمومی ذرات ناپایدار بنیادی (مانند میون یا کائون).
o واپاشی رادیواکتیو (G4RadioactiveDecay(: یک ماژول بسیار تخصصی و قدرتمند که واپاشی هستههای رادیواکتیو را با دقت بالا و با استفاده از پایگاههای دادهی هستهای (مانند ENSDF) شبیهسازی میکند. این ماژول تمام حالتهای واپاشی (آلفا، بتا-، بتا+، EC، گاما، شکافت خودبهخودی) و زنجیرههای واپاشی پیچیده را پوشش میدهد.
۳.۵. فرآیندهای نوری (Optical Processes)
این فرآیندها برای شبیه سازی دقیق ردیاب های سینتیلاسیونی و چرنکوف و همچنین پدیدههای نوری در مواد ضروری هستند.
· سینتیلاسیون (G4Scintillation(: تولید فوتونهای نوری هنگامی که یک ذرهی باردار انرژی خود را در یک محیط سینتیلاتور (مثل بلور NaI) از دست میدهد.
· تابش چرنکوف )G4Cerenkov(: تولید نور هنگامی که سرعت یک ذرهی باردار در یک محیط دیالکتریک از سرعت فاز نور در آن محیط بیشتر باشد.
· جذب نوری )G4OpAbsorption(: جذب فوتون نوری در ماده.
· پراکندگی رایلی نوری )G4OpRayleigh(: پراکندگی فوتونهای نوری.
· مرزبندی نوری (G4OpBoundaryProcess(: این یک فرآیند بسیار مهم است که رفتار فوتون نوری در سطح مشترک دو ماده (مثلاً بین هوا و شیشه) را مدیریت میکند. این فرآیند تعیین میکند که فوتون منعکس میشود، میشکند (منتقل میشود) یا به طور داخلی منعکس میگردد.
۴. نحوه ی عملکرد و انتخاب: فهرست فیزیک (Physics List)
کاربر Geant4 به صورت دستی فرآیندها را برای هر ذره انتخاب نمیکند. بلکه یک فهرست فیزیک (Physics List) انتخاب یا ساخته میشود. Physics List یک کلاس است که برای هر ذره ی مورد نظر، تمام فرآیندهای مربوطه را ثبت (Register) میکند.
· فهرستهای از پیش ساخته شده: Geant4 شامل بسیاری از فهرستهای استاندارد است که برای اهداف مختلف بهینه شدهاند، مانند:
o QGSP_BERT: برای شبیه سازیهای همه منظوره ی انرژی بالا (از مدل Quark-Gluon String برای برهمکنشهای پرانرژی و مدل Bertini Cascade برای انرژیهای متوسط استفاده میکند).
o FTFP_BERT: مشابه بالا اما با مدل Fritiof.
o EMStandard: شامل تنها فرآیندهای الکترومغناطیسی با دقت بالا برای کاربردهای دزیمتری.
· فهرستهای سفارشی: کاربران باتجربه میتوانند برای شبیهسازیهای خاص، با ترکیب فرآیندها و مدلهای مختلف، فهرست فیزیک خود را بسازند تا به دقت و کارایی مطلوب برسند.
۵. نتیجه گیری
قدرت و انعطافپذیری Geant4 در شبیه سازی های پیشرفته، ریشه در معماری ماژولار و جامع فرآیندهای فیزیکی آن دارد. درک عمیق انواع این فرآیندها، از برهمکنشهای الکترومغناطیسی دقیق گرفته تا مدلهای پیچیده ی هادرونی و پدیده های نوری، برای هر کاربر Geant4 ضروری است. انتخاب آگاهان هی یک Physics List مناسب، کلید موفقیت در ایجاد شبیه سازی هایی است که هم از دقت کافی برخوردارند و هم از نظر computational مقرون به صرفه هستند. این چارچوب به پژوهشگران اجازه میدهد تا دنیای میکروسکوپی برهمکنش ذرات با ماده را با جزئیات بینظیری کاوش کنند.
