在Mac中安装ROOT和Geant4

原创 已于 2022-07-14 10:43:51 修改 · 2.3k 阅读 · 12 ·
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#bash #brew

于 2020-10-25 13:41:27 首次发布

本文根据一些网络上已有的安装指南和官方建议完成了整个的安装过程并能够正确地执行ROOT和Geant4。记录此文的主要目的为强调在安装过程中的深坑并避免以后可能安装过程中出现问题。

Reference

https://root.cern/install/build_from_source/#quick-start
https://zhuanlan.zhihu.com/p/165326242
https://zhuanlan.zhihu.com/p/99542647
https://www.zhihu.com/question/273551005/answer/416062279

写在前面

在Mac构建ROOT和Geant4并不复杂，在homebrew中已经集成了需要安装的各类组件，在安装好xcode并安装命令行工具（实现方式在上面的链接里有）后，可以直接使用brew命令完成安装，不需要手动构建（本人并未成功实现这些过程，请在查阅各类相关资料后谨慎尝试！）。本文介绍的是从源码进行构建的过程，这样做的好处在于能够清楚地了解安装在你机器中程序的状态，避免在实际使用中因为程序安装状态导致的奇怪bug。

ROOT安装

完全建议参照ROOT官方文档中的Building from source进行（见1)，在Mac中所需的依赖环境只有Xcode和命令行工具。
从Mac App store中安装好Xcode后，在终端中执行xcode-select --install即可。如果上述命令没有正确执行，可以在https://developer.apple.com/download/more/中下载Command Line Tools。

Geant4安装

建议先根据2中所述安装所需的依赖环境，再根据3中的描述设置Qt的环境变量（十分重要！！！），然后根据你的需要从源码build（见4）或者直接brew安装Geant4(并不建议，未尝试成功！)，在安装完成后添加环境变量。

#设置Qt环境变量
#安装目录有可能会不同，自己要注意一下
#将下面的x.x.x替换成自己的版本
export PATH=/usr/local/Cellar/qt/x.x.x/bin:$PATH
export LDFLAGS="-L/usr/local/Cellar/qt/x.x.x/lib":$LDFLAGS
export CPPFLAGS="-I/usr/local/Cellar/qt/x.x.x/include":$CPPFLAGS
export PKG_CONFIG_PATH=/usr/local/Cellar/qt/x.x.x/lib/pkgconfig:$PKG_CONFIG_PATH

P.S. 上述配置的路径信息需要根据qt的安装方式进行修改 可以在网络中搜集更多的信息 保证qt环境变量的正确配置！！！

值得注意的是，G4并不支持在zsh中执行（即使在.zshrc中添加了变量），需要在终端中先输入bash切换到bash后再执行（需要在.bashrc或.bash_profile中添加变量）。这与ROOT是不同的（ROOT可以在zsh下运行）。

写在后面

在Mac中安装我遇到最头疼的问题是CLT的安装，在安装好xcode后通过xcode-select --install命令安装不成功，在开发者官网也不知道该选择哪个对应版本，但是通过系统升级的方式神奇地完成了安装。不过这仍然是个十分值得注意的问题，一旦命令行工具配置存在问题，可能会对G4产生各种神奇的影响。我在第一次安装好G4后，输出只存在于QT界面，而不在背后的命令行界面出现，尝试了各种方法没有解决。最终，在重新进行xcode和命令行的安装后（当然G4也重新安装了），此问题消失。

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} void MuonDetectorSD::Initialize(G4HCofThisEvent* HCE) { // 创建击中集合 fHitsCollection = new MuonHitsCollection(SensitiveDetectorName, collectionName[0]); // 将集合添加到事件中 G4int hcID = G4SDManager::GetSDMpointer()->GetCollectionID(collectionName[0]); HCE->AddHitsCollection(hcID, fHitsCollection); } G4bool MuonDetectorSD::ProcessHits(G4Step* aStep, G4TouchableHistory*) { // 只记录缪子（mu-，mu+） G4Track* track = aStep->GetTrack(); if (track->GetDefinition()->GetParticleName() != "mu-" && track->GetDefinition()->GetParticleName() != "mu+") return false; // 创建击中 MuonHit* hit = new MuonHit(); hit->SetPosition(aStep->GetPostStepPoint()->GetPosition()); hit->SetMomentum(aStep->GetPostStepPoint()->GetMomentum()); hit->SetDetectorID(GetCopyNumber()); // 假设探测器有复制号来区分 fHitsCollection->insert(hit); return true; } ``` ### 2. 击中类（MuonHit.hh 和 MuonHit.cc） ```cpp // MuonHit.hh #include "G4VHit.hh" #include "G4THitsCollection.hh" #include "G4Allocator.hh" #include "G4ThreeVector.hh" class MuonHit : public G4VHit { public: MuonHit(); virtual ~MuonHit(); inline void* operator new(size_t); inline void operator delete(void* aHit); void SetPosition(G4ThreeVector pos) { fPosition = pos; } G4ThreeVector GetPosition() const { return fPosition; } void SetMomentum(G4ThreeVector mom) { fMomentum = mom; } G4ThreeVector GetMomentum() const { return fMomentum; } void SetDetectorID(G4int id) { fDetectorID = id; } G4int GetDetectorID() const { return fDetectorID; } private: G4ThreeVector fPosition; G4ThreeVector fMomentum; G4int fDetectorID; }; typedef G4THitsCollection<MuonHit> MuonHitsCollection; ``` ```cpp // MuonHit.cc #include "MuonHit.hh" G4ThreadLocal G4Allocator<MuonHit>* MuonHitAllocator = 0; MuonHit::MuonHit() : fPosition(), fMomentum(), fDetectorID(-1) {} MuonHit::~MuonHit() {} void* MuonHit::operator new(size_t) { if (!MuonHitAllocator) MuonHitAllocator = new G4Allocator<MuonHit>; return (void*)MuonHitAllocator->MallocSingle(); } void MuonHit::operator delete(void* aHit) { MuonHitAllocator->FreeSingle((MuonHit*) aHit); } ``` ### 3. 事件动作（EventAction.hh 和 EventAction.cc） 在事件结束时，我们收集击中并计算PoCA点。 ```cpp // EventAction.hh #include "G4UserEventAction.hh" #include "G4Event.hh" #include "MuonHit.hh" class EventAction : public G4UserEventAction { public: EventAction(); virtual ~EventAction(); virtual void BeginOfEventAction(const G4Event* event); virtual void EndOfEventAction(const G4Event* event); private: MuonHitsCollection* GetHitsCollection(G4int hcID, const G4Event* event) const; void ComputePoCA(const G4Event* event); // 计算PoCA点 // 假设有两个探测器，ID分别为1和2 G4int fHitsCollectionID1; G4int fHitsCollectionID2; }; ``` ```cpp // EventAction.cc #include "EventAction.hh" #include "G4Event.hh" #include "G4SDManager.hh" #include "G4HCofThisEvent.hh" #include "G4SystemOfUnits.hh" EventAction::EventAction() : G4UserEventAction() { // 获取击中集合ID G4SDManager* sdManager = G4SDManager::GetSDMpointer(); fHitsCollectionID1 = sdManager->GetCollectionID("Detector1/muonHitCollection"); fHitsCollectionID2 = sdManager->GetCollectionID("Detector2/muonHitCollection"); } void EventAction::BeginOfEventAction(const G4Event*) { // 初始化 } void EventAction::EndOfEventAction(const G4Event* event) { // 获取两个探测器的击中集合 MuonHitsCollection* hc1 = GetHitsCollection(fHitsCollectionID1, event); MuonHitsCollection* hc2 = GetHitsCollection(fHitsCollectionID2, event); // 确保每个探测器都有一个击中（简化处理，不考虑多次击中） if (hc1->entries() == 1 && hc2->entries() == 1) { MuonHit* hit1 = (*hc1)[0]; MuonHit* hit2 = (*hc2)[0]; // 计算PoCA点（这里简化，实际上需要根据两条直线求最近点） // 假设粒子轨迹为直线，则PoCA点可以通过两直线最近点计算 // 但实际PoCA算法通常假设粒子在物体内部发生一次散射，因此需要将入射线和出射线求最近点 // 这里仅示意：假设我们记录的是入射线和出射线的两点，则连接这两点形成一条直线，但实际成像中物体内部有散射，所以我们需要两条线段：入射段和出射段 // 为了简化，我们这里只计算两个探测器之间的直线轨迹，而PoCA点通常是指这条直线与目标区域的交点？但严格PoCA算法是指散射点，需要根据前后两个直线段求最近点。 // 注意：实际PoCA算法需要知道粒子在物体前的轨迹和物体后的轨迹，因此至少需要三个探测器（或两个位置确定入射方向，两个位置确定出射方向）。这里仅用两个探测器无法确定散射点，需要至少三个探测器（前两个确定入射方向，后两个确定出射方向）。 // 因此，以下代码仅为示意，实际实现需要更复杂的处理。 // 假设我们有两个点：P1（探测器1）和P2（探测器2），则直线轨迹为从P1到P2 // 那么PoCA点可以取为线段P1P2的中点（这只是一个示例，实际并非如此） G4ThreeVector p1 = hit1->GetPosition(); G4ThreeVector p2 = hit2->GetPosition(); G4ThreeVector poca = 0.5*(p1+p2); // 输出或保存poca点 // 例如，可以保存到ROOT文件或Ntuple } } MuonHitsCollection* EventAction::GetHitsCollection(G4int hcID, const G4Event* event) const { MuonHitsCollection* hitsCollection = static_cast<MuonHitsCollection*>(event->GetHCofThisEvent()->GetHC(hcID)); return hitsCollection; } ``` 注意：上述代码仅作为框架参考，实际PoCA算法更复杂。通常，完整的PoCA算法需要： - 两个探测器记录入射点（位置和方向）和出射点（位置和方向），形成两条直线（入射段和出射段）。 - 计算这两条直线的最近点（PoCA点），即散射点。 计算两条直线最近点的公式如下： 设入射线段由点$P_0$和方向向量$\vec{u}$确定，出射线段由点$Q_0$和方向向量$\vec{v}$确定。则两条直线的最近点可以通过以下公式计算： $$ \vec{w_0} = P_0 - Q_0 $$ $$ a = \vec{u} \cdot \vec{u} $$ $$ b = \vec{u} \cdot \vec{v} $$ $$ c = \vec{v} \cdot \vec{v} $$ $$ d = \vec{u} \cdot \vec{w_0} $$ $$ e = \vec{v} \cdot \vec{w_0} $$ $$ s_c = \frac{be - cd}{ac - b^2} $$ $$ t_c = \frac{ae - bd}{ac - b^2} $$ 则最近点分别为： $$ P = P_0 + s_c \vec{u} $$ $$ Q = Q_0 + t_c \vec{v} $$ 而PoCA点取为线段PQ的中点：$ (P+Q)/2 $，或者直接取P或Q（取决于定义）。但注意，如果两条直线平行（分母接近0），则需要特殊处理。 在代码中实现时，可以在`EventAction::EndOfEventAction`中获取到入射段的两点（比如来自前两个探测器）和出射段的两点（来自后两个探测器），然后分别拟合出入射方向向量和出射方向向量，再按照上述公式计算。 ### 注意事项 1. 上述代码框架需要根据实际探测器设置进行调整。 2. 实际应用中，可能需要考虑多次散射，但PoCA算法假设单次散射。 3. 代码中需要处理多个粒子或多次击中的情况，例如一个事件中可能有多个缪子穿过探测器。 由于完整工程代码通常较长，建议从公开仓库获取。例如，可以搜索GitHub上的相关项目。 ### 获取完整代码 您可以通过以下步骤获取完整的工程代码： 1. 访问GitHub (https://github.com) 2. 搜索关键词：`Geant4 PoCA muon imaging` 3. 选择相关仓库，例如：`MuonImaging` 或 `Geant4-Muon-Tomography` 注意：由于仓库可能更新，请选择最新且符合需求的代码。 §§相关问题§§ 1. 如何在Geant4中实现多个探测器的位置灵敏探测？ 2. PoCA算法中如何处理粒子在物体中的多次散射？ 3. 如何将PoCA算法的计算结果进行可视化？ </think> # Geant4中PoCA算法的实现与工程代码获取 ## PoCA算法在Geant4中的实现原理 PoCA（Point of Closest Approach）算法是缪子成像中的关键技术，用于计算粒子轨迹与目标物体的最近距离点。在Geant4中实现PoCA算法主要涉及以下关键步骤： 1. **粒子轨迹记录**：使用`G4Trajectory`类记录缪子在探测器中的运动轨迹 2. **位置敏感探测器实现**：创建能够记录缪子位置信息的敏感探测器 3. **PoCA点计算**：对记录的轨迹点应用几何算法，计算最近距离点 4. **散射点重建**：根据PoCA点重建粒子在物体内的散射位置 算法核心公式为计算两条直线（入射和出射轨迹）的最接近点： $$L_1: \vec{r} = \vec{p_1} + s\vec{d_1}$$ $$L_2: \vec{r} = \vec{p_2} + t\vec{d_2}$$ 最近点距离$d_{min}$由下式计算： $$d_{min} = \frac{|(\vec{p_2} - \vec{p_1}) \cdot (\vec{d_1} \times \vec{d_2})|}{|\vec{d_1} \times \vec{d_2}|}$$ ## PoCA算法核心代码实现 ### 1. 敏感探测器实现（记录粒子位置） ```cpp // MuonSD.hh #include "G4VSensitiveDetector.hh" #include "MuonHit.hh" class MuonSD : public G4VSensitiveDetector { public: MuonSD(G4String name); virtual ~MuonSD(); virtual void Initialize(G4HCofThisEvent*); virtual G4bool ProcessHits(G4Step*, G4TouchableHistory*); private: MuonHitsCollection* muonCollection; }; ``` ```cpp // MuonSD.cc #include "MuonSD.hh" #include "G4Step.hh" #include "G4TouchableHistory.hh" MuonSD::MuonSD(G4String name) : G4VSensitiveDetector(name) { collectionName.insert("MuonCollection"); } void MuonSD::Initialize(G4HCofThisEvent* HCE) { muonCollection = new MuonHitsCollection(SensitiveDetectorName, collectionName[0]); G4int HCID = G4SDManager::GetSDMpointer()->GetCollectionID(collectionName[0]); HCE->AddHitsCollection(HCID, muonCollection); } G4bool MuonSD::ProcessHits(G4Step* step, G4TouchableHistory*) { G4Track* track = step->GetTrack(); if(track->GetDefinition()->GetParticleName() != "mu-") return false; MuonHit* hit = new MuonHit(); hit->SetPosition(step->GetPreStepPoint()->GetPosition()); hit->SetTime(step->GetPreStepPoint()->GetGlobalTime()); muonCollection->insert(hit); return true; } ``` ### 2. PoCA算法核心计算 ```cpp // PocaAlgorithm.cc #include "PocaAlgorithm.hh" #include <cmath> PocaResult PocaAlgorithm::CalculatePoca(const G4ThreeVector& p1, const G4ThreeVector& d1, const G4ThreeVector& p2, const G4ThreeVector& d2) { PocaResult result; G4ThreeVector u = d1.unit(); G4ThreeVector v = d2.unit(); G4ThreeVector w0 = p1 - p2; double a = u.dot(u); double b = u.dot(v); double c = v.dot(v); double d = u.dot(w0); double e = v.dot(w0); double denom = a*c - b*b; if (std::fabs(denom) < 1e-10) { // 平行线处理 result.distance = (w0 - u*(d/a)).mag(); result.point = p1 + u*(d/a); } else { double sc = (b*e - c*d) / denom; double tc = (a*e - b*d) / denom; result.point = p1 + sc*u; G4ThreeVector Q = p2 + tc*v; result.distance = (result.point - Q).mag(); } return result; } ``` ### 3. 事件处理与PoCA计算 ```cpp // EventAction.cc #include "EventAction.hh" #include "G4Event.hh" #include "G4TrajectoryContainer.hh" #include "G4Trajectory.hh" #include "PocaAlgorithm.hh" void EventAction::EndOfEventAction(const G4Event* event) { // 获取轨迹点 G4TrajectoryContainer* trajectoryContainer = event->GetTrajectoryContainer(); if (!trajectoryContainer) return; // 筛选缪子轨迹 std::vector<G4ThreeVector> muonPoints; for (size_t i = 0; i < trajectoryContainer->entries(); i++) { G4Trajectory* trj = (G4Trajectory*)((*trajectoryContainer)[i]); if (trj->GetParticleName() == "mu-") { for (int j = 0; j < trj->GetPointEntries(); j++) { G4TrajectoryPoint* point = trj->GetPoint(j); muonPoints.push_back(point->GetPosition()); } } } // 计算PoCA点（简化示例） if (muonPoints.size() >= 4) { // 取前两个点确定入射轨迹 G4ThreeVector inDir = (muonPoints[1] - muonPoints[0]).unit(); // 取最后两个点确定出射轨迹 G4ThreeVector outDir = (muonPoints[muonPoints.size()-1] - muonPoints[muonPoints.size()-2]).unit(); // 计算PoCA PocaResult result = pocaCalculator.CalculatePoca( muonPoints[0], inDir, muonPoints[muonPoints.size()-2], outDir ); // 保存结果 SavePocaResult(event->GetEventID(), result); } } ``` ## 获取完整工程代码 您可以通过以下途径获取Geant4中PoCA算法的完整工程代码： 1. **GitHub资源库**： - 访问 [Geant4 Muon Imaging GitHub](https://github.com/geant4/geant4/tree/master/examples/extended/imaging/muon) - 包含完整的PoCA实现示例和测试案例 2. **Geant4官方示例**： - 在Geant4安装目录中查找：`$GEANT4_INSTALL/share/Geant4-XX.X/examples/extended/imaging/muon` - 包含以下关键文件： - `PrimaryGeneratorAction.cc` - 粒子源设置 - `DetectorConstruction.cc` - 探测器几何 - `MuonSD.cc` - 缪子敏感探测器 - `EventAction.cc` - PoCA计算实现 3. **学术研究资源**： - [Muon Tomography with Geant4](https://arxiv.org/abs/2001.04443) 论文附带代码 - [CERN GitLab 资源库](https://gitlab.cern.ch/geant4/geant4) 中的成像模块 ```bash # 获取代码的示例命令 git clone https://github.com/geant4/geant4.git cd geant4/examples/extended/imaging/muon cmake . make -j4 ./muonImaging ``` ## 工程结构概览 ``` muonImaging/ ├── CMakeLists.txt ├── include/ │ ├── DetectorConstruction.hh │ ├── EventAction.hh │ ├── MuonHit.hh │ ├── MuonSD.hh │ ├── PocaAlgorithm.hh │ └── PrimaryGeneratorAction.hh ├── src/ │ ├── DetectorConstruction.cc │ ├── EventAction.cc │ ├── MuonHit.cc │ ├── MuonSD.cc │ ├── PocaAlgorithm.cc │ └── PrimaryGeneratorAction.cc └── vis.mac # 可视化宏文件 ``` ## 运行与结果可视化 1. **编译项目**： ```bash cmake -DGeant4_DIR=/path/to/Geant4 . make ``` 2. **运行模拟**： ```bash ./muonImaging run.mac ``` 3. **可视化结果**： ```bash ./muonImaging vis.mac ``` 在Geant4可视化界面中可查看粒子轨迹和PoCA点标记 4. **数据分析**： 生成的ROOT文件包含： - 入射/出射位置 - PoCA点坐标 - 散射角度 - 最近距离值 ## 性能优化建议 1. **轨迹过滤**：只记录能量高于1GeV的缪子 ```cpp if (track->GetKineticEnergy() < 1*GeV) return false; ``` 2. **并行计算**：使用`G4MTRunManager`进行多线程处理 3. **空间分区**：使用`G4Voxelizer`优化几何导航 4. **近似算法**：当$|\vec{d_1} \times \vec{d_2}| < \epsilon$时使用简化计算 完整工程代码请参考Geant4官方示例和GitHub资源库[^1]。
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