Geant4 무작정 따라하기 - 10. 스코어링 이론
Geant4 무작정 따라하기 시리즈의 열번째. Geant4 시뮬레이션에서 원하는 물리량을 기록하는 스코어링에 대해 알아봅니다.
이 글에서는 Geant4에서 스코어링 시스템의 기본적인 동작 이론에 대해 설명할 것입니다. 이를 바탕으로 다음 글에서 이어질 Geant4에서 기본적으로 제공하는 스코어러의 사용에 있어 이해도를 높이는 것이 이번 글의 목적입니다. 더 나아가, 이 개념을 잘 이해하시고 충분한 C++ 언어 지식을 갖추신다면 Geant4에서 기본 제공하는 스코어러를 넘어 여러분만의 스코어러를 직접 구현하여 이용할 수도 있을 것입니다.
Geant4의 스코어링 용어
Geant4는 모든 구조물 내에서 방사선 수송에 필요한 물리량 전반을 다 계산하며 시뮬레이션을 돌립니다. 이 수많은 값들을 우리에게 모조리 알려주는 방식이 이전에 설명한 바 있는 verbose입니다.
하지만 우리는 이 모든 값이 다 필요한 것이 아닙니다. 이 중에 원하는 부분만 추려서 기록하면 좋겠지요. 이러한 작업을 스코어링이라고 합니다. 즉, 스코어링이란 관심 있는 지오메트리 내에서 관심 있는 물리량이 어떠한 값을 가지는지를 살펴보는 것입니다.
관심 있는 지오메트리
사용자가 만든 다양한 지오메트리 중, 스코어링을 수행하고 싶은 관심 있는 지오메트리(들)이 있을 것입니다. 이 지오메트리(들)의 Logical Volume에 Sensitive Detector를 세팅해줌으로써, 해당 지오메트리 내에서의 일을 스코어링하도록 프로그램에게 지시할 수 있습니다.
여기서 Sensitive Detector, 줄여서 SD는, 관심 있는 물리량을 어떤 조건 하에서 어떻게 가공하여 메모리 공간에 저장할 것인지와 같은 스코어링 방법을 정의하는 클래스입니다.
관심 있는 물리량
사용자는 해당 지오메트리에 전달된 에너지에 관심이 있을 수도 있고, 반응 위치에 관심이 있을 수도 있으며, 반응 위치와 해당 위치에 전달된 에너지를 한 세트로 묶어서 살펴보고 싶을 수도 있습니다. 이처럼 관심 있는 물리량 혹은 그 물리량들을 조합한 한 세트를 Geant4에서는 Hit이라는 클래스를 통해 관리합니다. 즉, Hit 하나당 한 세트의 정보가 된다고 보시면 됩니다.
만약 여러 종류의 정보를 따로 관리하고 싶다면, 여러 종류의 Hit을 사용하면 됩니다. 예를 들어, 어떤 조건 하에서는 전달된 에너지만 기록하고 싶고, 또 다른 조건 하에서는 반응 위치만 기록하고 싶다면, 전달된 에너지라는 Hit과 반응 위치라는 Hit으로 분리하여 두 종류의 Hit을 이용할 수 있습니다. 이는 반응 위치와 그 위치에 전달된 에너지를 한 세트로 묶은 Hit과는 다른 개념인 것입니다.
Geant4는 같은 종류의 Hit들을 한 데 모아서 저장하는 HitsCollection 이라는 클래스도 제공하고 있습니다. 이는 간단히 말해 Hit을 담는 주머니라고 생각하면 됩니다. 하나의 HitsCollection에는 같은 종류의 Hit들만 들어가기 때문에, 예를 들어 전달된 에너지 Hit은 전달된 에너지 HitsCollection에 담기게 되고, 반응 위치 Hit은 반응 위치 HitsCollection에 담기는 식입니다.
Geant4의 스코어링 개념
기본 원리
스코어링은 기본적으로 Event 단위로 이루어지며, 다음 과정이 매 Event마다 반복됩니다.
- 입자를 수송하던 중, 입자가 SD가 세팅된 지오메트리 내에 들어오는 순간부터, 해당 SD가 일을 하기 시작합니다.
- SD는 구현된 내용에 따라, 매 Step마다 관심 있는 물리량 정보를 수집하여 Hit을 생성합니다. 생성된 Hit은 각 종류별로 상응하는 HitsCollection에 저장됩니다.
- Geant4는 매 Event가 끝날 때마다, 해당 Event에서 만들어진 HitsCollection들을 한 데 묶어 HCofThisEvent라는 형태로 제공합니다. 사용자는 이 HCofThisEvent로부터 원하는 종류의 HitsCollection을 가져온 뒤, 그 안에 저장된 Hit들을 확인하고 기록할 수 있습니다.
그림으로 나타내면 다음과 같습니다.
Sensitive Detector 설계방법
Sensitive Detector를 설계하는 방법은 크게 다음의 두 가지가 있습니다만, 여기서는 1번 방법만 다루겠습니다.
Multi Functional Detector에 사용자가 원하는 Primitive Scorer들을 Register하여 설계
G4VSensitiveDetector 클래스를 상속받아 사용자가 직접 Sensitive Detector를 구현. 경우에 따라 Hit과 HitsCollection 수준부터 직접 구현하여 이용하기도 함.
Multi Functional Detector(MFD)는 일종의 틀로 보시면 되고, 이 틀에 실질적인 기능을 가진 Primitive Scorer(PS)를 조립해 넣는 식으로 SD를 구현합니다. 일종의 모듈형 시스템1처럼 조립된 전체가 하나의 SD가 되는 방식입니다. Geant4가 제공하는 PS들 중 일부를 소개해 드리겠습니다. (10.7 버전 기준)
- G4PSCellCharge: 해당 지오메트리 내에 deposit된 charge의 총합을 스코어링
- G4PSCellFlux: 해당 지오메트리 내의 플럭스를 스코어링 (트랙길이 / 부피 방식으로 계산)
- G4PSDoseDeposit: 해당 지오메트리 내에서의 흡수선량(absorbed dose)을 스코어링
- G4PSEnergyDeposit: 해당 지오메트리 내에 deposit된 에너지의 총합을 스코어링
- G4PSNofCollision: 해당 지오메트리에 입사한 입자의 개수를 스코어링
- G4PSPassageCellCurrent2: 해당 지오메트리를 지나쳐간(입사 후 빠져나간) track의 수를 스코어링
- G4PSPassageCellFlux: 해당 지오메트리를 지나쳐간(입사 후 빠져나간) track의 플럭스를 스코어링 (트랙길이 / 부피 방식으로 계산)
- G4PSPopulation3: 해당 지오메트리에 들어온 입자의 수를 스코어링
- G4PSTermination: 해당 지오메트리 내에서 종료4된 track의 수를 스코어링
이 외에도 더 많은 PS가 존재합니다. 그리고 이름 끝에 3D가 붙은 PS도 있는데, 이는 3D가 없는 것과 기능이 동일하며 해당 물리량을 복셀화된 각 볼륨마다 따로 저장하여 3D 분포를 살펴보는 데에 활용 가능합니다. (e.g. G4PSCellCharge3D)
추가적으로, 필터를 활용하면 특정 조건 하에서만 스코어링이 이루어지도록 할 수도 있습니다. 예를 들어, G4PSCellFlux를 사용하는데 여기에 입자 제한 필터로 Gamma만 스코어링하도록 제한하면, 해당 지오메트리 내에서 Gamma 입자의 플럭스만 스코어링할 수 있는 것입니다. 다만, 하나의 PS당 하나의 필터만 세팅할 수 있습니다. 필터의 종류는 다음과 같습니다. (10.7 버전 기준)
- G4SDChargedFillter: (+) 혹은 (-) 전하를 가진 입자만 스코어링하도록 제한
- G4SDNeutralFilter: 전하가 없는 중성 입자만 스코어링하도록 제한
- G4SDKineticEnergyFilter: 입자의 운동에너지가 일정 범위(하한~상한) 내에 들어오는 경우에만 스코어링하도록 제한
- G4SDParticleFilter: 입자의 이름을 이용하여, 그 입자만 스코어링하도록 제한 (여러 종류의 입자도 가능)
- G4SDParticleWithEnergyFilter: 입자의 이름과 운동에너지 범위를 이용하여, 그 입자의 운동에너지가 일정 범위(하한~상한) 내에 들어오는 경우에만 스코어링하도록 제한 (한 종류의 입자만 가능)
PS, Hit, HC에 대한 상세 설명
PS와 HC의 관계
결국 Primitive Scorer(PS)가 실질적으로 물리량(Hit)을 검출하는 기능을 가집니다. 그리고 PS가 검출한 물리량(Hit)들은 앞서 설명하였던 HitsCollection에 담기게 될 것입니다.
이 때, PS마다 스코어링하는 물리량의 종류가 다르므로 PS마다 각각 HitsCollection을 하나씩 담당하게 되는 것입니다. 각 PS가 담당하여 맡고 있는 HitsCollection에, 스코어링을 통해 검출해낸 Hit들을 저장하는 방식이 되는 것이지요.
HC에 Hit을 저장하는 방법
Hit은 스코어링 조건에만 부합하는 상황이라면 일단 매 Step마다 생성됩니다. 이렇게 생성되는 수 많은 Hit들은 HitsCollection(HC)에 저장되지요. PS를 이용하는 경우에는 Hit이 HC에 담길 때 누적하는 방식으로 저장됩니다. 예를 들어, G4PSDoseDeposit의 경우에는 스코어링 된 흡수선량을 계속 더해서, 최종적으로 총 흡수선량의 합이라는 하나의 값만 남는 것이죠.
여러 지오메트리끼리의 구분
이전 글에서 Geant4에서는 지오메트리를 Solid, Logical, Physical로 나누어 관리하기 때문에, Logical Volume을 하나만 만들고 이를 공유하여 Physical Volume을 여러 개 둘 수 있다고 하였습니다. 이런 경우, SD는 Logical Volume에 세팅하므로 여러 개의 지오메트리에 동일한 SD가 세팅 될 것입니다.
이처럼 여러 개의 Physical Volume으로 정의된 지오메트리는 실제로도 각각 서로 다른 지오메트리이므로, 각자의 스코어링 결과를 구분하여 기록하고 싶은 경우가 많을 것입니다. 이를 위해 Geant4는 HC에 Hit을 저장할 때 지오메트리 별로 구분하여 누적하는 방식을 채택하였습니다.
여기서 각각의 지오메트리를 구분하는 구분자가 바로 Copy Number입니다. 이전에 Physical Volume에 대한 설명을 하던 이 글에서 Copy Number는 스코어링 결과를 따로따로 보관하기 위한 사물함 번호라는 설명을 했었지요. 즉, G4PSDoseDeposit이 세팅된 Logical Volume을 공유하여 여러 개의 Physical Volume이 배치되었다면, Copy Number가 0번인 Physical Volume에서 스코어링 된 흡수선량은 0번 사물함에 누적되고, Copy Number가 1번인 Physical Volume에서 스코어링 된 흡수선량은 1번 사물함에 누적되는 식입니다. 최종적으로 사용자는 각 Copy Number에 상응하는 사물함에서 누적된 총 합을 확인함으로써 각 지오메트리 별로 구분할 수 있게 됩니다.
정리
위 내용을 다이어그램으로 요약해보면 다음과 같습니다.
graph LR
subgraph Sensitive Detector
C & D --> B
E --- C
F --- D
end
B ==> A
A[Logical Volume]
B[Multi Functional Detector]
C[Primitive Scorer 1]
D[Primitive Scorer 2]
E[Filter 1]
F[Filter 2]graph BT A --> B C --> D B & D --> E === F A[1번에서 스코어링된 Hit] B[1번 사물함] C[2번에서 스코어링된 Hit] D[2번 사물함] E[HitsCollection] F[Primitive Scorer]
Geant4에서의 스코어링에 대한 큰 개념은 이것으로 끝입니다. 새로운 용어와 개념이 너무 많아, 처음 보면 어려울 수 있습니다. 맨 마지막에 보여드린 다이어그램만 대강 이해하셔도 괜찮습니다. 일단 사용하다보면 익숙해지기 마련이니까요.
다음 글에서는 이 이론을 바탕으로 스코어링을 직접 구현해보도록 하겠습니다.