專利名稱：X射線衍射電荷密度恢復、處理及分析方法
x射線衍射電荷密度恢復、處理及分析方法技術領域本技術發(fā)明主要應用于物質(zhì)結構研究領域，屬物理學中晶體學范疇。此發(fā) 明成果可用于物理學、晶體學、化學、地質(zhì)礦物學、制藥、分子生物學等研究領域。技術背景晶體學作為一門基礎學科主要以研究晶體結構為目的。在經(jīng)過一個多世紀 的發(fā)展后，目前，晶體學已經(jīng)成為物理學、化學、生物分子學、礦物學等學科 中必不可少的一門基礎知識。近一、二十年來，隨著新材料、新能源、信息技 術、生物工程技術的發(fā)展，人們越來越認識到，決定物質(zhì)的物理、化學性能的 關鍵因素是物質(zhì)中的電子結構。這就對過去只研究晶體結構中原子排布的晶體 學研究提出了更高的要求。即如何得到晶體中電子分布信息，為其它學科研究 服務。幸運地是，隨著實驗儀器和計算機技術的飛速發(fā)展，使過去需要做大規(guī)模計算才能實現(xiàn)的處理方法現(xiàn)在得以應用。最大熵X-ray衍射電荷密度恢復算 法就是在這一背景中被發(fā)展起來的。這一算法的實現(xiàn)，可以利用現(xiàn)有衍射儀器 的實驗數(shù)據(jù)就可以研究晶體結構中電子結構特點，進而解釋晶體中化學成鍵的 特性，解釋其物理、化學特點。^材料學、物理學、化學、礦物學、分子生物學研究服務。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明基于最大熵理論，利用改進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、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)下運行(見圖2)。改進Gul1-Daniell算法具有程序編寫簡單，計算 步驟清晰的特點。計算過程中，拉格朗日因子可以自動修正，從而達到迭代收 斂速度的最優(yōu)化。混基快速傅立葉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個晶系，230個空間群的晶體?；谏鲜鎏?征開發(fā)的Rainbow ME程序操作簡單、界面友好、可在微機中單獨使用、便于升 級。計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。計算結果以維也納大學開發(fā)的計算物理程序 Wien97/Wien2k三維電荷密度顯示數(shù)據(jù)格式存儲，擴展名為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)上免費得到。計算流程(1) 衍射實驗數(shù)據(jù)讀取(2) 產(chǎn)生一套平均電荷密度作為計算的起始密度(3) 通過電荷密度計算結構因子，在此計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) 計算R值，R值定義為<formula>formula see original document page 4</formula>其中，F(xiàn)。bs:實驗結構因子； F"計算結構因子； SF。bs:實驗偏差(5) 利用Gull-Daniell迭代算法計算新一輪電荷密度，在此計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迭代算法計算公式如下ln/7("+'Vh^丄xX(尸。"，—、，^))xe一'h其中/^'為第n+l步迭代計算電荷密度值； K,為第n步計算結構因子；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) 重復過程(4)(7) 當R值收斂小于閬值時，計算結束 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，程序開始運行(圖3 )。(2) 點擊"最大熵"選項中的"電荷密度"模塊，進入最大熵計算參數(shù)設 定界面(圖4 )。(3) 點擊"Space Group"選項，進入電子空間群表模塊，選擇適當?shù)目?間群(圖5 )，本例選取186號P63mc空間群。點擊"0K"。(4) 設定計算參數(shù)。計算參數(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；實驗數(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;拉格朗日因子設定；迭代次數(shù)設定；收斂標準設定。輸入完畢后點擊"OK"離開(圖6)。如果這些選項有遺漏，程序?qū)⒂刑崾緦υ捒虬l(fā)出提示信息。(5) 點擊"最大熵"中"運行"選項，開始運行。(6) 運行過程中實時顯示計算收斂曲線，在計算結東后有提示對話框發(fā)出 提示信息(圖7)。如計算出現(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) 計算結東后，打開計算結果文件。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為程序開始運行界面。圖4為程序運行過程中，點擊最大熵選項中的電荷密度模塊，進入最大熵計 算參數(shù)設定界面。圖5為程序運行過程中，單擊"Space Group"，進入電子空間群表。 圖6為程序運行過程中，設定計算參數(shù)，點擊"OK"離開。 圖7為程序運行過程中，實時顯示計算收斂曲線，計算結東后有提示顯示。 圖8為程序運行過程中，GaN三維電荷密度顯示，大球為Ga原子，小球為N 原子。圖9為程序運行過程中，GaN (110)晶面電荷密度顯示。
權利要求
1.一種基于最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復、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)，得到晶體結構中電荷密度在三維空間分布的信息；該信息用于分析化學鍵的離子性、共價性、和極化率等性質(zhì)；該方法的包括參數(shù)輸入、實驗衍射數(shù)據(jù)讀取、計算條件設定、電子國際晶體學表查詢、迭代計算、計算收斂過程圖型顯示，計算結果輸出等幾個功能；該方法的特征在于在最大熵計算過程中使用了改進Gull-Daniell迭代計算算法；該算法可以在每步迭代計算過程中自動修正拉格朗日因子，從而保證計算收斂速度。
2. 如權利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復、處理及分析 方法，其在迭代計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分類中所有230個空間 群的對稱性。
3. 如權利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復、處理及分析 方法，利用Visual Baisc語言開發(fā)整套計算程序。此程序運行于Windows搡作 系統(tǒng)平臺下，具有最大使用內(nèi)存為1GB;最大格點劃分可以達到300 x 300 x 300; 最大可計算衍射點數(shù)目限定為27000000的特點。
4. 如權利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復、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衍射實驗數(shù)據(jù)。
5. 如權利要求1所使用的最大熵理論的X射線衍射電荷密度恢復、處理及分析 方法可用于物理學、化學、礦物學、材料學、藥物合成、生物大分子等研究領 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、處理和研究晶體結構中電荷密度空間分布的理論方法。并利用Visual Basic語言編寫了整套計算程序。這一方法具有原理清晰，計算速度快，不需要對每一種元素進行單獨處理，適用性廣，分析結果較為可靠的優(yōu)點。而基于此原理開發(fā)的Rainbow ME程序包具有以下優(yōu)點1.用戶界面友好，操作方便。2.計算穩(wěn)定，便于擴展升級。3.計算網(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，對網(wǎng)格劃分沒有特定要求，可以依據(jù)樣品晶胞參數(shù)條件進行靈活網(wǎng)格劃分。此理論方法和程序可用于物理學、化學、礦物學、材料學、醫(yī)藥研究、分子生物學等領域。
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