egs4

EGS4是英文 Electron-Gama Shower four的縮寫，即電子伽馬光子簇射模擬。

基本介紹

• 中文名：egs4
• 外文名： Electron-Gama Shower four
• 即：電子伽馬光子簇射模擬
• 時間：1986年

背景

它是一個用蒙特卡羅方法模擬電子（幾個kev-Tev）-光子簇射過程的通用程式包。由美國斯坦福直線加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center）提供。EGS於1978年公開發表，提供使用。EGS4是1986年的版本。

歷史

EGS4之前歷史

在1978年，EGS代碼系統作為一個包（Package）正式發布了，一般將其稱為EGS3。EGS3是設計用於模擬在任何幾何形狀中，能量上限到幾千GeV，下限截止動能到0.1MeV（光子）和1MeV（電子）的粒子在電磁場中的聯合輸運過程的。EGS3公布之後獲得了很大成功，並在許多關於電子光子在電磁場中聯合輸運的問題上獲得很好的結果。由於其代碼公開，使用方便，使其在醫療物理和高能物理領域之內獲得廣泛的使用。但是其本身也存在處理低能的限制——例如1keV（光子）和10keV（電子）。關於這一點在EGS4程式中獲得了改進。

在EGS之前，已經存在了許多代碼，其中具有代表性的是下列代碼。

Messel and Crawford code ：該碼在1958到1970年使用，由澳大利亞開發，其特點是首次使用計算機進行高能蒙特卡羅模擬，並且發表了極好的結果，但代碼不可獲得。

Zerby and Moran code ：該代碼在1962年到1963年使用，是受SLAC的建造而由ORNL開發，在工程計算上極好地完成任務，但其代碼在ORNL外並未發布。

Berger and Seltzer code ：該代碼從1964年一直使用到現在，由NIST開發，即ETRAN碼。它是極好的物理學和蒙特卡羅代碼，目前也可從得到用戶界面友好的版本，即ITS和MCNP。在1966年之前對於粒子物理學界還不知道其存在。

Nagel code ：在1963年到1967年使用，由波恩大學開發。它是基於Negal的一篇博士論文，僅計算了圓柱幾何體，而且材料僅限於銅和鉛，但是可以很容易從DESY、MIT或SLAC得到，由Negal本人在大約1966年帶到了SLAC。

SHOWER code ：由Negal開發，並且成為了EGS3的種子代碼，能量範圍擴展到0.1MeV到幾個GeV，能模擬100種元素中任一種，包括化合物或混合物，其中PEGS3代碼使得EGS3輸入數據變得容易，它比Negal代碼更能有效抽樣，而且加入了幾個新的程式。

在Negal 60年代中期開發的SHOWER1的基礎上，Nicoli通過改進開發出SHOWER2；在1966年到1972年，SLAC模擬計算組在Nelson的領導下，將SHOWER2改進為PREPRO；到了1972年，SHOWER3/PREPRO進入實用階段；1974年Ford和Nelson合作，把SHOWER3/PREPRO和SHOWER4/SHINP程式進行綜合和改善，程式命名為EGS(Electron-Gamma-Shower)/PEGS(Preprocessor for EGS)；此後EGS不斷更新，在1982年，SLAC 和KEK進行了合作，而NRCC的Rogers在使用EGS3方面相當深入，並且為低能Benchmarking（一種衡量計算機硬體及軟體在給定配置下的運行性能的例程或程式）作出了很大的努力，以及在醫療物理套用、探測器回響、對電子步長的更新（ESTEPE）和去除了低能方面的一些bug等方面的努力，因此在1985年由美國斯坦福直線加速器中心（SLAC）、日本高能物理國家實驗室（KEK）和加拿大國家研究所（NRCC）聯合推出了一套模擬電子和光子在物質中輸運過程的通用蒙特卡羅計算程式系統EGS4（Electron-Gamma-Shower, Version 4），並在1986年發表。EGS4是揭示電子和光子在物質中輸運規律的有力而且方便的理論分析及模擬研究工具。由於其套用靈活性和通用性而被廣泛套用於高能物理、低能物理和醫學物理。

EGS4公布之後改進

在EGS4公布之後，基於蒙特卡羅方法的代碼受到很大歡迎。從1983年到1988年，論文數量增加了五倍，並且出版了很多關於蒙特卡羅方法的優秀圖書，蒙特卡羅方法的代碼被視為黑盒子。EGS4程式在其中起到了直接的作用。不但有很多碩士和博士論文是關於EGS4的，而且有許多關於EGS4的專題討論會和研究組。在醫療物理雜誌（Medical Physics Journal）上，有六篇文章獲得了獎勵。蒙特卡羅方法為什麼能夠受到大家的歡迎呢？可能的原因有：傳統的分析方法受到了很大限制。 蒙特卡羅方法更直觀，這一點尤其受到實驗物理學家們的歡迎。 計算機變得更便宜和速度更快。

EGS4程式自公布之後，又不斷進行了更新和改進。主要包括：

推出了多平台版本。有面向PC版的，有UNIX版的，還有面向IBM/VM和VAX/VMS大型工作站版本的。

推出了更多的開關（switch），可以通過控制開關來滿足特定使用者的要求，並且允許用戶在自己的程式中增加宏（macros）。

對EGS4程式的增強主要在三個方面：

· 對EGS4物理模型的修改：為改善劑量精度，改進了物理模型，提供了一些特殊算法（如PRESTA，EDGSET等）和宏，並考慮了電磁場對正負電子的影響。PRESTA（the Parameter Reduced electron-Step Transport Algorithm）改善了電子路程的修正算法（PLC）、側面相關算法（LCA）和邊界穿越算法（BCA），解決了電子步長和計算精度的矛盾，在保持計算精度的情況下，增大了電子步長，提高了計算速度；EDGSET使EGS4考慮了物質K線和L線的螢光發射。

· 工具和技術的改進：修正了截面資料庫，並且為了提高計算精度，為PEGS4增加APRIM選項，以使電子在單位步長內能量損失（Electron radiative stopping power）符合ICRU-37標準。還開發了如繪圖工具，PEGS工具，隨機數產生器等。

· 系統和其它的支持：例如更多的平台，教程，匿名FTP站點，使用者組。並提供了幾何庫和一些對計算結果進行數據處理及圖形顯示的工具，如EGS-Windows（NRCC1991）和EGS4PICT（KEK1994）等。

所有這些，都對EGS4的發展作出了很大貢獻。現在正有很多人在EGS4程式改進，套用領域擴展，以及EGS4宣傳使用方面做很多工作。

EGS4現狀和未來

EGS4初期的發展主要是為了研究高能物理領域的問題，如設計六邊形的複雜的大型探測器，計算光子探測效率，修正探測器所探測到的圖象。隨著它的推廣，EGS4計算程式在國際上套用廣泛，在輻射物理和醫學物理等方面都有著越來越廣泛的套用。在輻射物理方面，主要計算加速器各部位的輻射劑量，設計禁止系統，以及研製劑量測量儀等；在醫學物理方面，模擬粒子在人體模型中產生的劑量分布及衰減，計算在醫療過程中器官所吸收的劑量，確定醫療方案等。在西歐和北美的一些國家，已被廣泛套用在醫院，用於輻射治療和輻射檢測中的劑量計算。EGS4還可以用於探礦和農業方面。其可靠性獲得廣泛證明，得到國際社會的高度評價，被認為是“參照模型（a reference mode）”、“公認的（recognized）”、“國際性的（international）”、“世界範圍的（world-wide）”和“普遍標準（universal standard）”。

目前，國際上對EGS4的使用呈增長趨勢，現在世界上至少有6000多個EGS研究組。在日本，每年都有一次關於EGS4的國際會議召開（從1992年開始），到現在已經召開了八次會議，並且都有會議論文集出版。在法國，也有EGS4的用戶組，共有25個成員（到1994年止），並定期召開會議。在中國，EGS4的使用還處於起步階段，還沒有形成大的討論組，只限於分散的用戶。在國際上，在Lawrence H.Lanzl Insititute也經常有EGS培訓。而且，Internet的發展也為EGS4的推廣作出了貢獻，世界上有很大站點專門介紹EGS4，並且定期發布最新的訊息。很快，EGS5將會出現，並且功能會更強大，使用會更方便。隨著世界各地的使用者和專家們對EGS4程式進行改進，隨著人類對原子能的開發，隨著人類對環境問題和自身健康的重視，相信EGS4的使用會越來越廣泛、深入。