基于Geant4的质子输运计算的加速方法研究

姚志明，黑东炜，宋顾周，马继明，韩长材，段宝军，岳志勤

（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 710024）

基于Geant4的质子输运计算的加速方法研究

姚志明，黑东炜，宋顾周，马继明，韩长材，段宝军，岳志勤

（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安 710024）

质子在医学、材料科学、辐射成像等领域有着广阔的应用前景，质子输运过程的数值模拟是质子应用理论分析的重要手段。本研究基于Geant4软件编写了蒙卡模拟程序，研究了程序的加速方法。结果表明，次级粒子截断和并行计算可以有效加快程序的运行速度。程序易于扩展，为质子应用的快速模拟奠定了基础。

质子输运；蒙特卡罗；加速方法；次级粒子截断；并行计算

质子在医学、材料科学、辐射成像等领域有着广泛的应用。目前，国内有多台质子加速器已经建成或正在建设当中，它们有着不同的应用前景。例如，中国原子能科学研究院的回旋加速器上开展了很多国防核技术和核物理的研究工作［1］；上海应用物理研究所正在研制用于恶性肿瘤治疗的质子治疗装置［2］；在建的中国散裂中子源的质子加速器计划用于空间辐射效应模拟和质子照相；等等。

数值模拟计算可以为粒子的应用提供理论指导和依据。数值模拟中的蒙特卡罗方法通过随机抽样，能够比较真实地反映粒子的输运过程［3］。目前，模拟质子输运的软件包括SRIM、MCNP、MCNPX、Geant4等，其中Geant4允许用户二次开发，容易根据实际需要对程序进行改进和扩展。

基于 Geant4的模拟质子输运的研究比较丰富［4-6］，加速方法的研究却较少。文献［7，8］中给出了通用的并行计算加快模拟速度的方法。然而，针对质子输运过程的特点对Geant4程序进行加速的方法未见报道。

本研究以10 GeV的质子在FTO （French Test Object）中的输运过程为例，基于Geant4建立蒙卡模拟程序［9，10］，探讨加快质子输运模拟速度的方法。

1　质子与物质的作用规律

质子与物质的作用过程主要有电离能损、多次库仑散射、与原子核的弹性碰撞和非弹性碰撞［11］。电离能损是质子与很多核外电子碰撞，每次碰撞电子获得一部分能量，质子的能量随之减小。多次库仑散射是当质子与原子最近距离比原子半径小时，受到原子核电场的作用，在库仑力作用下运动方向发生改变。与原子核碰撞时质子受到核力的作用，按质子能量是否发生改变分为弹性和非弹性碰撞。弹性碰撞按照原子处于基态和激发态可细分为弹性碰撞和准弹性碰撞，质子的运动方向发生较大偏转；非弹性碰撞是原子核俘获质子，发生核反应，核反应过程中释放次级粒子，导致入射质子的个数损失，并可能产生能量较低的次级质子。本文10 GeV质子在FTO输运过程中以上四种作用都会发生，导致质子的能量损失、个数衰减和方向偏转。其中非弹性碰撞产生的中子、γ射线等次级粒子对结果贡献小，模拟耗时多，截断后可以提高计算速度。

2　模拟程序的建立

Geant4软件采用模块化设计，由不同的模块分别实现探测器几何结构定义、粒子与物质相互作用过程描述、跟踪并记录粒子的状态和改变、中止次级粒子的产生等［10］。图1给出了软件的一些常用的类、子函数以及它们的功能。

模拟程序的几何布局如图2所示。Construct函数中定义物体的材料和几何结构。物体选为FTO［11］，它是高能闪光照相中使用的一种通用测试对象，是由钨、铜和塑料组成的多层同心球，内半径分别为1 cm、4.5 cm、6.5 cm，塑料的外半径为22.5 cm。物体后1 mm处放置1 mm厚的足够大长方体，定义为敏感探测器。Geant4中的物理过程比较丰富，采用的物理模型也有多种选择，为方便用户的使用，Geant4开发人员将物理模型打包，定义了多种physic list，其中包含了质子与物质作用的全部物理过程和产生的中子、伽玛等次级粒子的作用过程。本文选取了physic list中的QGSP_BERT物理过程列表。GeneratePrimaries函数中设置发射粒子的参数信息。粒子类型为质子，初始能量为 10 GeV，发射方向沿 z轴正方向。ProcessHits、Print、EndOfEvent函数中定义敏感探测器的功能，用于粒子信息的记录。当粒子打到敏感探测器上，在ProcessHits函数中将该粒子的出射位置、运动方向、类型、动能和输运编号存储在一个Hit中。在Print函数中定义Hit中各信息的输出格式。当发射的一个质子输运完成后，EndOfEvent函数调用Print函数将各信息存储在文本文件中，供分析使用。

3　加速方法与结果分析

3.1次级粒子截断

质子输运过程中发生核反应会产生大量中子、γ射线和低能量的质子。除低能量的质子外，还会产生一定数量的电子、μ介子、π介子等其他带电粒子。这些次级粒子的输运过程模拟会耗费大量时间。Geant4中的G4VUserStackingAction类可以对粒子的信息进行判断，实现次级粒子的截断，达到节省计算时间的目的。然而，次级粒子的截断可能会影响质子输运的模拟，本文选取了敏感探测器记录到的质子总个数和直穿质子个数两个参数来评估截断对模拟准确性的影响。

Geant4软件运行在联想ThinkCentre M8380t型号的计算机上，安装了windows7 32位操作系统，CPU频率为3.4 GHz。

首先，不截断次级粒子，程序将模拟所有直穿质子和次级粒子的输运过程。发射105个质子，时间由G4Timer类记录，模拟用时2 538 s。表1给出了敏感探测器记录的粒子种类和个数。直穿质子和次级质子，可以由输运编号区分，输运编号为1的是直穿质子，大于1的是次级质子。

表1　不截断产生的粒子个数Tab.1 Particle generation without cut

图1　Geant4常用类和函数结构图Fig.1 Common class and function of Geant4

图2　模拟程序的几何布局示意图Fig.2 Geometry of the simulation program

然后，在ClassifyNewTrack函数中分别实现γ射线、中子和其他带电粒子的截断，并考虑了只模拟质子和只模拟直穿质子的情况。以截断γ射线为例，ClassifyNewTrack函数中的程序代码如下：

表2给出了各情况下模拟所需的时间，通过与表1比较，给出了直穿质子个数和总质子个数减少的百分比，并计算了截断前后时间的比值，即加速比。

由表2可以得出以下结论：第一，截断次级粒子可以有效地减少计算时间，截断不同的粒子时加速比均达到了2倍以上。第二，截断不同的粒子后对直穿质子的个数的影响均小于1%，可以认为不会影响直穿质子的模拟结果。第三，截断γ射线对总质子个数的影响小于1%，截断中子和其他带电粒子后总质子个数减少了10%以上，分析原因是由于γ射线与物质作用后不会产生质子，截断不会影响质子的模拟结果，而中子和一些带电粒子与物质作用会进一步产生次级质子，截断这些粒子会使得出射的次级质子有所减少，在需要考虑次级质子输运过程的应用中不能采用。

表2　截断后的计算速度测试结果Tab.2 Results of calculation speed testing with cut

3.2并行化加速方法

有关Geant4程序并行化的研究已较为丰富［7，8］。本研究将并行化方法应用于质子输运模拟，采用文献［8］中的方法对程序进行了并行化改造。并行计算在银河计算机上进行，该计算机安装了红帽公司的Linux服务器操作系统，CPU频率为1.6 GHz。表3给出了并行化后的测试结果。需要说明的是，当模拟的质子个数较多时，如果将所有质子的信息存储在一个文件中，得到的数据文件将会很大，不便于后续数据的统计分析。在print函数中可以首先读取CPU的编号，用编号为输出文件命名，将不同CPU的计算结果存储在不同的文件当中，解决数据文件过大的问题。实现语句如下：

由表3可以看出，加速比随CPU个数的增加近似成线性增长，与文献［8］中的结果一致。与CPU为3.4 GHz的联想计算机的结果比较，在只模拟直穿质子的条件下，联想计算机用时65 s，银河计算机用时295 s。银河计算机单个CPU运行的速率不及CPU频率较高的联想计算机，然而，银河计算机上最多可提供的CPU数达1 024个，可以根据需要进一步增加CPU的使用个数来提高质子输运的模拟速度。

表3　并行程序的计算速度测试结果Tab.3 Results of calculation speed testing of parallel program

4　结论

本研究基于Geant4软件建立了模拟10 GeV能量的质子穿透FTO过程的蒙卡程序。重点探讨了程序的加速方法，在程序中分别实现了次级粒子截断和并行计算。截断γ、中子和其他带电粒子后，加速比均达到了2倍以上，截断中子和一些带电粒子会使透射的次级质子个数有所减少，当不需要考虑次级质子输运过程时可以采用。质子输运模拟程序并行化后的加速比随CPU使用个数的增加呈线性增长，与文献结果一致。与单个CPU不采用粒子截断的情况相比，只记录初级质子的16个CPU并性程序加速比可达610倍。

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［2]杨朝霞，李德明，张满洲.基于Geant4模拟的质子治疗束配系统的束流光学设计［J］.核技术，2013，36（7）：070201.

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［6]聂鹏煊，汪一夫，郑涛，等.CsI（TI）对高能质子能量响应的蒙特卡罗研究［J］.武汉科技学院学报.2010，23（2）:27-32.

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［9]张慧，梅雪松，关世荣，等.4He离子卢瑟福背散射的Geant4模拟［J］.黑龙江科学，2013，1（4）：22-24.

［10]Geant4 user's guide for application developers［EB10L］.（292-11-30）［2015-03-06］http://geant4.web.cern.ch/geant4/UserDocumentation/ UserGuides/ForApplication Developer/html/index.html.

［11]ZIOCK H J，ADAMS K J，ALRICK K R，et al.The Proton Radiography Concept［R］.Los Alamos National Report，LA-UR-98-1368，1998：1-17.

Research on Accelerating Method of Proton Transportation Simulation Program Based on Geant4

YAOZhi-ming，HEI Dong-wei，SONGGu-zhou，MAJi-ming，HANChang-cai，DUANBao-jun，YUE Zhi-qin
（State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute ofNuclear Technology，Xi'an 710024，China）

Proton has bright future in the field of medical，material analysis and radiography.Numerical simulation provides a good way to analyze the process protons transmitting through materials.This article establishes a Monte Carlo program based on Geant4.The accelerating method is introduced.The result implies that secondary particles cut and program paralleled can shorten the time cost effectively.The program can be easily extended which provides a good foundation for fast simulation ofproton transportation.

Proton transportation；Monte Carlo；Acceleration method；Secondaryparticle cut；Parallel program

TL99

A

1674-8646（2015）07-0007-03

2015-04-09

超快物理过程射线诊断及应用研究（51311060502）

姚志明（1989-），男，吉林辉南人，硕士研究生，助理工程师，主要从事质子扫描成像的原理探究。