source: trunk/source/processes/hadronic/models/coherent_elastic/include/G4DiffuseElastic.hh @ 1340

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1//
2// ********************************************************************
3// * License and Disclaimer                                           *
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24// ********************************************************************
25//
26//
27// $Id: G4DiffuseElastic.hh,v 1.17 2009/09/22 16:21:46 vnivanch Exp $
28// GEANT4 tag $Name: geant4-09-03-ref-09 $
29//
30//
31// G4 Model: optical elastic scattering with 4-momentum balance
32//
33// Class Description
34// Final state production model for hadron nuclear elastic scattering;
35// Class Description - End
36//
37//
38// 24.05.07 V. Grichine first implementation for hadron (no Coulomb) elastic scattering
39// 04.09.07 V. Grichine implementation for Coulomb elastic scattering
40
41
42#ifndef G4DiffuseElastic_h
43#define G4DiffuseElastic_h 1
44 
45#include "globals.hh"
46#include "G4HadronicInteraction.hh"
47#include "G4HadProjectile.hh"
48#include "G4Nucleus.hh"
49
50using namespace std;
51
52class G4ParticleDefinition;
53class G4PhysicsTable;
54class G4PhysicsLogVector;
55
56class G4DiffuseElastic : public G4HadronicInteraction
57{
58public:
59
60  G4DiffuseElastic();
61
62  G4DiffuseElastic(const G4ParticleDefinition* aParticle);
63
64
65
66
67
68  virtual ~G4DiffuseElastic();
69
70  void Initialise();
71
72  void InitialiseOnFly(G4double Z, G4double A);
73
74  void BuildAngleTable();
75
76 
77  G4HadFinalState * ApplyYourself(const G4HadProjectile & aTrack, 
78                                  G4Nucleus & targetNucleus);
79
80
81  void SetPlabLowLimit(G4double value);
82
83  void SetHEModelLowLimit(G4double value);
84
85  void SetQModelLowLimit(G4double value);
86
87  void SetLowestEnergyLimit(G4double value);
88
89  void SetRecoilKinEnergyLimit(G4double value);
90
91  G4double SampleT(const G4ParticleDefinition* aParticle, 
92                         G4double p, G4double A);
93
94  G4double SampleTableT(const G4ParticleDefinition* aParticle, 
95                         G4double p, G4double Z, G4double A);
96
97  G4double SampleThetaCMS(const G4ParticleDefinition* aParticle, G4double p, G4double A);
98
99  G4double SampleTableThetaCMS(const G4ParticleDefinition* aParticle, G4double p, 
100                                     G4double Z, G4double A);
101
102  G4double GetScatteringAngle(G4int iMomentum, G4int iAngle, G4double position);
103
104  G4double SampleThetaLab(const G4HadProjectile* aParticle, 
105                                G4double tmass, G4double A);
106
107  G4double GetDiffuseElasticXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
108                                 G4double theta, 
109                                 G4double momentum, 
110                                 G4double A         );
111
112  G4double GetInvElasticXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
113                                 G4double theta, 
114                                 G4double momentum, 
115                                 G4double A, G4double Z );
116
117  G4double GetDiffuseElasticSumXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
118                                 G4double theta, 
119                                 G4double momentum, 
120                                 G4double A, G4double Z );
121
122  G4double GetInvElasticSumXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
123                                 G4double tMand, 
124                                 G4double momentum, 
125                                 G4double A, G4double Z );
126
127  G4double IntegralElasticProb( const G4ParticleDefinition* particle, 
128                                 G4double theta, 
129                                 G4double momentum, 
130                                 G4double A            );
131 
132
133  G4double GetCoulombElasticXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
134                                 G4double theta, 
135                                 G4double momentum, 
136                                 G4double Z         );
137
138  G4double GetInvCoulombElasticXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
139                                 G4double tMand, 
140                                 G4double momentum, 
141                                 G4double A, G4double Z         );
142
143  G4double GetCoulombTotalXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
144                                 G4double momentum, G4double Z       );
145
146  G4double GetCoulombIntegralXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
147                                 G4double momentum, G4double Z, 
148                                 G4double theta1, G4double theta2         );
149
150
151  G4double CalculateParticleBeta( const G4ParticleDefinition* particle, 
152                                        G4double momentum    );
153
154  G4double CalculateZommerfeld( G4double beta, G4double Z1, G4double Z2 );
155
156  G4double CalculateAm( G4double momentum, G4double n, G4double Z);
157
158  G4double CalculateNuclearRad( G4double A);
159
160  G4double ThetaCMStoThetaLab(const G4DynamicParticle* aParticle, 
161                                G4double tmass, G4double thetaCMS);
162
163  G4double ThetaLabToThetaCMS(const G4DynamicParticle* aParticle, 
164                                G4double tmass, G4double thetaLab);
165
166  void TestAngleTable(const G4ParticleDefinition* theParticle, G4double partMom,
167                      G4double Z, G4double A);
168
169
170
171  G4double BesselJzero(G4double z);
172  G4double BesselJone(G4double z);
173  G4double DampFactor(G4double z);
174  G4double BesselOneByArg(G4double z);
175
176  G4double GetDiffElasticProb(G4double theta);
177  G4double GetDiffElasticSumProb(G4double theta);
178  G4double GetDiffElasticSumProbA(G4double alpha);
179  G4double GetIntegrandFunction(G4double theta);
180
181
182  G4double GetNuclearRadius(){return fNuclearRadius;};
183
184private:
185
186
187  G4ParticleDefinition* theProton;
188  G4ParticleDefinition* theNeutron;
189  G4ParticleDefinition* theDeuteron;
190  G4ParticleDefinition* theAlpha;
191
192  const G4ParticleDefinition* thePionPlus;
193  const G4ParticleDefinition* thePionMinus;
194
195  G4double lowEnergyRecoilLimit; 
196  G4double lowEnergyLimitHE; 
197  G4double lowEnergyLimitQ; 
198  G4double lowestEnergyLimit; 
199  G4double plabLowLimit;
200
201  G4int fEnergyBin;
202  G4int fAngleBin;
203
204  G4PhysicsLogVector*           fEnergyVector;
205  G4PhysicsTable*               fAngleTable;
206  std::vector<G4PhysicsTable*>  fAngleBank;
207
208  std::vector<G4double> fElementNumberVector;
209  std::vector<G4String> fElementNameVector;
210
211  const G4ParticleDefinition* fParticle;
212  G4double fWaveVector;
213  G4double fAtomicWeight;
214  G4double fAtomicNumber;
215  G4double fNuclearRadius;
216  G4double fBeta;
217  G4double fZommerfeld;
218  G4double fAm;
219  G4bool fAddCoulomb;
220
221};
222
223
224inline void G4DiffuseElastic::SetRecoilKinEnergyLimit(G4double value)
225{
226  lowEnergyRecoilLimit = value;
227}
228
229inline void G4DiffuseElastic::SetPlabLowLimit(G4double value)
230{
231  plabLowLimit = value;
232}
233
234inline void G4DiffuseElastic::SetHEModelLowLimit(G4double value)
235{
236  lowEnergyLimitHE = value;
237}
238
239inline void G4DiffuseElastic::SetQModelLowLimit(G4double value)
240{
241  lowEnergyLimitQ = value;
242}
243
244inline void G4DiffuseElastic::SetLowestEnergyLimit(G4double value)
245{
246  lowestEnergyLimit = value;
247}
248
249
250/////////////////////////////////////////////////////////////
251//
252// Bessel J0 function based on rational approximation from
253// J.F. Hart, Computer Approximations, New York, Willey 1968, p. 141
254
255inline G4double G4DiffuseElastic::BesselJzero(G4double value)
256{
257  G4double modvalue, value2, fact1, fact2, arg, shift, bessel;
258
259  modvalue = fabs(value);
260
261  if ( value < 8.0 && value > -8.0 )
262  {
263    value2 = value*value;
264
265    fact1  = 57568490574.0 + value2*(-13362590354.0 
266                           + value2*( 651619640.7 
267                           + value2*(-11214424.18 
268                           + value2*( 77392.33017 
269                           + value2*(-184.9052456   ) ) ) ) );
270
271    fact2  = 57568490411.0 + value2*( 1029532985.0 
272                           + value2*( 9494680.718
273                           + value2*(59272.64853
274                           + value2*(267.8532712 
275                           + value2*1.0               ) ) ) );
276
277    bessel = fact1/fact2;
278  } 
279  else 
280  {
281    arg    = 8.0/modvalue;
282
283    value2 = arg*arg;
284
285    shift  = modvalue-0.785398164;
286
287    fact1  = 1.0 + value2*(-0.1098628627e-2 
288                 + value2*(0.2734510407e-4
289                 + value2*(-0.2073370639e-5 
290                 + value2*0.2093887211e-6    ) ) );
291
292    fact2  = -0.1562499995e-1 + value2*(0.1430488765e-3
293                              + value2*(-0.6911147651e-5 
294                              + value2*(0.7621095161e-6
295                              - value2*0.934945152e-7    ) ) );
296
297    bessel = sqrt(0.636619772/modvalue)*(cos(shift)*fact1 - arg*sin(shift)*fact2 );
298  }
299  return bessel;
300}
301
302/////////////////////////////////////////////////////////////
303//
304// Bessel J1 function based on rational approximation from
305// J.F. Hart, Computer Approximations, New York, Willey 1968, p. 141
306
307inline G4double G4DiffuseElastic::BesselJone(G4double value)
308{
309  G4double modvalue, value2, fact1, fact2, arg, shift, bessel;
310
311  modvalue = fabs(value);
312
313  if ( modvalue < 8.0 ) 
314  {
315    value2 = value*value;
316
317    fact1  = value*(72362614232.0 + value2*(-7895059235.0 
318                                  + value2*( 242396853.1
319                                  + value2*(-2972611.439 
320                                  + value2*( 15704.48260 
321                                  + value2*(-30.16036606  ) ) ) ) ) );
322
323    fact2  = 144725228442.0 + value2*(2300535178.0 
324                            + value2*(18583304.74
325                            + value2*(99447.43394 
326                            + value2*(376.9991397 
327                            + value2*1.0             ) ) ) );
328    bessel = fact1/fact2;
329  } 
330  else 
331  {
332    arg    = 8.0/modvalue;
333
334    value2 = arg*arg;
335
336    shift  = modvalue - 2.356194491;
337
338    fact1  = 1.0 + value2*( 0.183105e-2 
339                 + value2*(-0.3516396496e-4
340                 + value2*(0.2457520174e-5 
341                 + value2*(-0.240337019e-6          ) ) ) );
342
343    fact2 = 0.04687499995 + value2*(-0.2002690873e-3
344                          + value2*( 0.8449199096e-5
345                          + value2*(-0.88228987e-6
346                          + value2*0.105787412e-6       ) ) );
347
348    bessel = sqrt( 0.636619772/modvalue)*(cos(shift)*fact1 - arg*sin(shift)*fact2);
349
350    if (value < 0.0) bessel = -bessel;
351  }
352  return bessel;
353}
354
355////////////////////////////////////////////////////////////////////
356//
357// damp factor in diffraction x/sh(x), x was already *pi
358
359inline G4double G4DiffuseElastic::DampFactor(G4double x)
360{
361  G4double df;
362  G4double f2 = 2., f3 = 6., f4 = 24.; // first factorials
363
364  // x *= pi;
365
366  if( std::fabs(x) < 0.01 )
367  { 
368    df = 1./(1. + x/f2 + x*x/f3 + x*x*x/f4);
369  }
370  else
371  {
372    df = x/std::sinh(x); 
373  }
374  return df;
375}
376
377
378////////////////////////////////////////////////////////////////////
379//
380// return J1(x)/x with special case for small x
381
382inline G4double G4DiffuseElastic::BesselOneByArg(G4double x)
383{
384  G4double x2, result;
385 
386  if( std::fabs(x) < 0.01 )
387  { 
388   x     *= 0.5;
389   x2     = x*x;
390   result = 2. - x2 + x2*x2/6.;
391  }
392  else
393  {
394    result = BesselJone(x)/x; 
395  }
396  return result;
397}
398
399////////////////////////////////////////////////////////////////////
400//
401// return particle beta
402
403inline  G4double G4DiffuseElastic::CalculateParticleBeta( const G4ParticleDefinition* particle, 
404                                        G4double momentum    )
405{
406  G4double mass = particle->GetPDGMass();
407  G4double a    = momentum/mass;
408  fBeta         = a/std::sqrt(1+a*a);
409
410  return fBeta; 
411}
412
413////////////////////////////////////////////////////////////////////
414//
415// return Zommerfeld parameter for Coulomb scattering
416
417inline  G4double G4DiffuseElastic::CalculateZommerfeld( G4double beta, G4double Z1, G4double Z2 )
418{
419  fZommerfeld = fine_structure_const*Z1*Z2/beta;
420
421  return fZommerfeld; 
422}
423
424////////////////////////////////////////////////////////////////////
425//
426// return Wentzel correction for Coulomb scattering
427
428inline  G4double G4DiffuseElastic::CalculateAm( G4double momentum, G4double n, G4double Z)
429{
430  G4double k   = momentum/hbarc;
431  G4double ch  = 1.13 + 3.76*n*n;
432  G4double zn  = 1.77*k*std::pow(Z,-1./3.)*Bohr_radius;
433  G4double zn2 = zn*zn;
434  fAm          = ch/zn2;
435
436  return fAm;
437}
438
439////////////////////////////////////////////////////////////////////
440//
441// calculate nuclear radius for different atomic weights using different approximations
442
443inline  G4double G4DiffuseElastic::CalculateNuclearRad( G4double A)
444{
445  G4double r0;
446
447  if( A < 50. )
448  {
449    if( A > 10. ) r0  = 1.16*( 1 - std::pow(A, -2./3.) )*fermi;   // 1.08*fermi;
450    else          r0  = 1.1*fermi;
451
452    fNuclearRadius = r0*std::pow(A, 1./3.);
453  }
454  else
455  {
456    r0 = 1.7*fermi;   // 1.7*fermi;
457
458    fNuclearRadius = r0*std::pow(A, 0.27); // 0.27);
459  }
460  return fNuclearRadius;
461}
462
463////////////////////////////////////////////////////////////////////
464//
465// return Coulomb scattering differential xsc with Wentzel correction 
466
467inline  G4double G4DiffuseElastic::GetCoulombElasticXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
468                                 G4double theta, 
469                                 G4double momentum, 
470                                 G4double Z         )
471{
472  G4double sinHalfTheta  = std::sin(0.5*theta);
473  G4double sinHalfTheta2 = sinHalfTheta*sinHalfTheta;
474  G4double beta          = CalculateParticleBeta( particle, momentum);
475  G4double z             = particle->GetPDGCharge();
476  G4double n             = CalculateZommerfeld( beta, z, Z );
477  G4double am            = CalculateAm( momentum, n, Z);
478  G4double k             = momentum/hbarc;
479  G4double ch            = 0.5*n/k;
480  G4double ch2           = ch*ch;
481  G4double xsc           = ch2/(sinHalfTheta2+am)/(sinHalfTheta2+am);
482
483  return xsc;
484}
485
486
487////////////////////////////////////////////////////////////////////
488//
489// return Coulomb scattering total xsc with Wentzel correction 
490
491inline  G4double G4DiffuseElastic::GetCoulombTotalXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
492                                                             G4double momentum, G4double Z  )
493{
494  G4double beta          = CalculateParticleBeta( particle, momentum);
495  G4cout<<"beta = "<<beta<<G4endl;
496  G4double z             = particle->GetPDGCharge();
497  G4double n             = CalculateZommerfeld( beta, z, Z );
498  G4cout<<"fZomerfeld = "<<n<<G4endl;
499  G4double am            = CalculateAm( momentum, n, Z);
500  G4cout<<"cof Am = "<<am<<G4endl;
501  G4double k             = momentum/hbarc;
502  G4cout<<"k = "<<k*fermi<<" 1/fermi"<<G4endl;
503  G4cout<<"k*Bohr_radius = "<<k*Bohr_radius<<G4endl;
504  G4double ch            = n/k;
505  G4double ch2           = ch*ch;
506  G4double xsc           = ch2*pi/(am +am*am);
507
508  return xsc;
509}
510
511////////////////////////////////////////////////////////////////////
512//
513// return Coulomb scattering xsc with Wentzel correction  integrated between
514// theta1 and < theta2
515
516inline  G4double G4DiffuseElastic::GetCoulombIntegralXsc( const G4ParticleDefinition* particle, 
517                                 G4double momentum, G4double Z, 
518                                 G4double theta1, G4double theta2 )
519{
520  G4double c1 = std::cos(theta1);
521  G4cout<<"c1 = "<<c1<<G4endl;
522  G4double c2 = std::cos(theta2);
523  G4cout<<"c2 = "<<c2<<G4endl;
524  G4double beta          = CalculateParticleBeta( particle, momentum);
525  // G4cout<<"beta = "<<beta<<G4endl;
526  G4double z             = particle->GetPDGCharge();
527  G4double n             = CalculateZommerfeld( beta, z, Z );
528  // G4cout<<"fZomerfeld = "<<n<<G4endl;
529  G4double am            = CalculateAm( momentum, n, Z);
530  // G4cout<<"cof Am = "<<am<<G4endl;
531  G4double k             = momentum/hbarc;
532  // G4cout<<"k = "<<k*fermi<<" 1/fermi"<<G4endl;
533  // G4cout<<"k*Bohr_radius = "<<k*Bohr_radius<<G4endl;
534  G4double ch            = n/k;
535  G4double ch2           = ch*ch;
536  am *= 2.;
537  G4double xsc           = ch2*twopi*(c1-c2);
538           xsc          /= (1 - c1 + am)*(1 - c2 + am);
539
540  return xsc;
541}
542
543#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.