專利名稱：X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析方法
x射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析方法技術(shù)領(lǐng)域本技術(shù)發(fā)明主要應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域，屬物理學(xué)中晶體學(xué)范疇。此發(fā) 明成果可用于物理學(xué)、晶體學(xué)、化學(xué)、地質(zhì)礦物學(xué)、制藥、分子生物學(xué)等研究領(lǐng)域。技術(shù)背景晶體學(xué)作為一門基礎(chǔ)學(xué)科主要以研究晶體結(jié)構(gòu)為目的。在經(jīng)過一個(gè)多世紀(jì) 的發(fā)展后，目前，晶體學(xué)已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)、生物分子學(xué)、礦物學(xué)等學(xué)科 中必不可少的一門基礎(chǔ)知識。近一、二十年來，隨著新材料、新能源、信息技 術(shù)、生物工程技術(shù)的發(fā)展，人們越來越認(rèn)識到，決定物質(zhì)的物理、化學(xué)性能的 關(guān)鍵因素是物質(zhì)中的電子結(jié)構(gòu)。這就對過去只研究晶體結(jié)構(gòu)中原子排布的晶體 學(xué)研究提出了更高的要求。即如何得到晶體中電子分布信息，為其它學(xué)科研究 服務(wù)。幸運(yùn)地是，隨著實(shí)驗(yàn)儀器和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使過去需要做大規(guī)模計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)的處理方法現(xiàn)在得以應(yīng)用。最大熵X-ray衍射電荷密度恢復(fù)算 法就是在這一背景中被發(fā)展起來的。這一算法的實(shí)現(xiàn)，可以利用現(xiàn)有衍射儀器 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以研究晶體結(jié)構(gòu)中電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)而解釋晶體中化學(xué)成鍵的 特性，解釋其物理、化學(xué)特點(diǎn)。^材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)、分子生物學(xué)研究服務(wù)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明基于最大熵理論，利用改進(jìn)Gull-Daniel 1算法(見圖1)和混基快 速傅立葉變換算法(MRFFT)開發(fā)、編寫了整套電荷密度恢復(fù)、處理和分析程序。程序名稱為Rainbow ME,整套程序利用Visual Basic語言編寫，在Windows 操作系統(tǒng)下運(yùn)行(見圖2)。改進(jìn)Gul1-Daniell算法具有程序編寫簡單，計(jì)算 步驟清晰的特點(diǎn)。計(jì)算過程中，拉格朗日因子可以自動修正，從而達(dá)到迭代收 斂速度的最優(yōu)化?；旎焖俑盗⑷~變換算法的使用使本方法擺脫了基2快速傅 立葉變換對網(wǎng)格劃分的東縛,使得本發(fā)明可以使正空間網(wǎng)格劃分沒有特殊限制， 從而可以使此分析方法適用所有7個(gè)晶系，230個(gè)空間群的晶體。基于上述特 征開發(fā)的Rainbow ME程序操作簡單、界面友好、可在微機(jī)中單獨(dú)使用、便于升 級。計(jì)算過程具有速度快捷、正空間網(wǎng)格劃分靈活、內(nèi)存使用小于1GB、具備 電子空間表查詢系統(tǒng)的特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果以維也納大學(xué)開發(fā)的計(jì)算物理程序 Wien97/Wien2k三維電荷密度顯示數(shù)據(jù)格式存儲，擴(kuò)展名為rho文件。此文件 可以用VENUS, XCrySDen等程序打開顯示，這些程序可以在互聯(lián)網(wǎng)上免費(fèi)得到。計(jì)算流程(1) 衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取(2) 產(chǎn)生一套平均電荷密度作為計(jì)算的起始密度(3) 通過電荷密度計(jì)算結(jié)構(gòu)因子，在此計(jì)算過程中使用了混基快速傅立葉 變換算法(MRFFT)(正傅立葉變換)(4) 計(jì)算R值，R值定義為<formula>formula see original document page 4</formula>其中，F(xiàn)。bs:實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)因子； F"計(jì)算結(jié)構(gòu)因子； SF。bs:實(shí)驗(yàn)偏差(5) 利用Gull-Daniell迭代算法計(jì)算新一輪電荷密度，在此計(jì)算過程中使用了混基快速傅立葉變換算法(MRFFT)(逆傅立葉變換)。 Gull-Daniell迭代算法計(jì)算公式如下ln/7("+'Vh^丄xX(尸。"，—、，^))xe一'h其中/^'為第n+l步迭代計(jì)算電荷密度值； K,為第n步計(jì)算結(jié)構(gòu)因子；z為單位晶胞中總電子數(shù)； N為總網(wǎng)格數(shù)； A為拉格朗日因子(6) 重復(fù)過程(4)(7) 當(dāng)R值收斂小于閬值時(shí)，計(jì)算結(jié)束 程序操作過程以六方GaN粉末衍射數(shù)據(jù)為例(1) 雙擊RianbowME圖標(biāo)，程序開始運(yùn)行(圖3 )。(2) 點(diǎn)擊"最大熵"選項(xiàng)中的"電荷密度"模塊，進(jìn)入最大熵計(jì)算參數(shù)設(shè) 定界面(圖4 )。(3) 點(diǎn)擊"Space Group"選項(xiàng)，進(jìn)入電子空間群表模塊，選擇適當(dāng)?shù)目?間群(圖5 )，本例選取186號P63mc空間群。點(diǎn)擊"0K"。(4) 設(shè)定計(jì)算參數(shù)。計(jì)算參數(shù)包括晶胞參數(shù)a, b， c, a， P， y;正 空間網(wǎng)格數(shù)，本例使用16x16 x 32網(wǎng)格；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)釆集范圍H, K, L值；單位晶胞中總電子數(shù)，本例為76;拉格朗日因子設(shè)定；迭代次數(shù)設(shè)定；收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。輸入完畢后點(diǎn)擊"OK"離開(圖6)。如果這些選項(xiàng)有遺漏，程序?qū)⒂刑崾緦υ捒虬l(fā)出提示信息。(5) 點(diǎn)擊"最大熵"中"運(yùn)行"選項(xiàng)，開始運(yùn)行。(6) 運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)顯示計(jì)算收斂曲線，在計(jì)算結(jié)東后有提示對話框發(fā)出 提示信息(圖7)。如計(jì)算出現(xiàn)不收斂和意外中斷錯誤，程序也會有 提示對話框發(fā)出提示信息。(7) 計(jì)算結(jié)東后，打開計(jì)算結(jié)果文件。此文件可以用日本科研小組開發(fā)的 VENUS程序打開顯示(圖8和圖9)。


圖l為最大熵算法流程圖。圖2為Rainbow ME程序界面截圖。圖3為程序開始運(yùn)行界面。圖4為程序運(yùn)行過程中，點(diǎn)擊最大熵選項(xiàng)中的電荷密度模塊，進(jìn)入最大熵計(jì) 算參數(shù)設(shè)定界面。圖5為程序運(yùn)行過程中，單擊"Space Group"，進(jìn)入電子空間群表。 圖6為程序運(yùn)行過程中，設(shè)定計(jì)算參數(shù)，點(diǎn)擊"OK"離開。 圖7為程序運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)顯示計(jì)算收斂曲線，計(jì)算結(jié)東后有提示顯示。 圖8為程序運(yùn)行過程中，GaN三維電荷密度顯示，大球?yàn)镚a原子，小球?yàn)镹 原子。圖9為程序運(yùn)行過程中，GaN (110)晶面電荷密度顯示。
權(quán)利要求
1.一種基于最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析方法。該方法可以通過分析處理單晶和粉末衍射數(shù)據(jù)，得到晶體結(jié)構(gòu)中電荷密度在三維空間分布的信息；該信息用于分析化學(xué)鍵的離子性、共價(jià)性、和極化率等性質(zhì)；該方法的包括參數(shù)輸入、實(shí)驗(yàn)衍射數(shù)據(jù)讀取、計(jì)算條件設(shè)定、電子國際晶體學(xué)表查詢、迭代計(jì)算、計(jì)算收斂過程圖型顯示，計(jì)算結(jié)果輸出等幾個(gè)功能；該方法的特征在于在最大熵計(jì)算過程中使用了改進(jìn)Gull-Daniell迭代計(jì)算算法；該算法可以在每步迭代計(jì)算過程中自動修正拉格朗日因子，從而保證計(jì)算收斂速度。
2. 如權(quán)利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析 方法，其在迭代計(jì)算過程中具備使用混基快速傅立葉變換算法(Mixed Radix Fast Fourier Transform)的特征；此特征使得計(jì)算過程中可以使網(wǎng)格劃分隨 樣品對象不同而靈活改變；從而使此方法適用于晶體學(xué)分類中所有230個(gè)空間 群的對稱性。
3. 如權(quán)利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析 方法，利用Visual Baisc語言開發(fā)整套計(jì)算程序。此程序運(yùn)行于Windows搡作 系統(tǒng)平臺下，具有最大使用內(nèi)存為1GB;最大格點(diǎn)劃分可以達(dá)到300 x 300 x 300; 最大可計(jì)算衍射點(diǎn)數(shù)目限定為27000000的特點(diǎn)。
4. 如權(quán)利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析 方法即可以處理單晶X-ray衍射數(shù)據(jù)也可以處理粉末晶體X-ray衍射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
5. 如權(quán)利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復(fù)、處理及分析 方法可用于物理學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)、材料學(xué)、藥物合成、生物大分子等研究領(lǐng) 域。
全文摘要
本發(fā)明主要是提出一整套利用X-ray衍射數(shù)據(jù)恢復(fù)、處理和研究晶體結(jié)構(gòu)中電荷密度空間分布的理論方法。并利用Visual Basic語言編寫了整套計(jì)算程序。這一方法具有原理清晰，計(jì)算速度快，不需要對每一種元素進(jìn)行單獨(dú)處理，適用性廣，分析結(jié)果較為可靠的優(yōu)點(diǎn)。而基于此原理開發(fā)的Rainbow ME程序包具有以下優(yōu)點(diǎn)1.用戶界面友好，操作方便。2.計(jì)算穩(wěn)定，便于擴(kuò)展升級。3.計(jì)算網(wǎng)格密度大(300×300×300)。4.節(jié)省內(nèi)存(＜1GB)。5.由于使用了混基Fourier變換技術(shù)，對網(wǎng)格劃分沒有特定要求，可以依據(jù)樣品晶胞參數(shù)條件進(jìn)行靈活網(wǎng)格劃分。此理論方法和程序可用于物理學(xué)、化學(xué)、礦物學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)藥研究、分子生物學(xué)等領(lǐng)域。
文檔編號G06F17/14GK101246134SQ20081008510
公開日2008年8月20日 申請日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者澤 張, 暉 李, 李家駒 申請人:北京工業(yè)大學(xué)