CN113936746B - 多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质 - Google Patents

多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质，涉及射线衍射技术领域，其技术方案要点是：建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；确定原子与距离最近的实空间格点的关联；建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；采用泰勒展开对传统算法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅。本发明通过采用泰勒展开的方式，使得基于原子位置的射线衍射计算可以按空间维度分离变量求和，每次求和只涉及一个维度，大大减小计算量的同时得到精确度按展开阶数指数上升的近似结果。

Description

多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质
技术领域
本发明涉及射线衍射技术领域，更具体地说，它涉及多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质。
背景技术
射线衍射是探测物质微介观结构的重要手段，溶液X射线衍射分析等技术已被广泛应用于DNA结构分析等领域，只在散射角一个维度上开展的射线衍射实验和数值模拟技术已经发展得非常成熟。随着相干X射线光源的发展，利用多维衍射实验分析物质微介观结构已逐渐成为可能，而与之相应的数值模拟技术则还停留在实验室阶段。多维衍射能够提供更多的材料微介观信息，其复杂性远高于一维衍射，现有数值模拟技术并不能直接移植。
现有的多维衍射技术中，只有相干衍射成像的相关数值模拟技术发展得较为成熟，相干成像关心的客体在每一个单元内部被视作是均匀的，而原子则更像一个点而不像一个均匀的单元，因此相关数值模拟技术难以移植。而现有的基于原子位置的射线衍射计算方法，如L. Soulard, et al., Observation of phase transitions in shocked tinby molecular dynamics, 2020；孙伟，等，分子动力学模拟纳米晶体铜的结构与性能，1998，对每个转移动量、对每个原子求和，或者甚至对原子编号二次求和，计算代价随体系变大增长很快，应用到微米尺度的微介观物质所需的计算代价难以接受。
因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质，通过采用泰勒展开的方式，使得基于原子位置的射线衍射计算可以按空间维度分离变量求和，每次求和只涉及一个维度，大大减小计算量的同时得到精确度按展开阶数指数上升的近似结果，可以在现代超级计算机上实现尺度可达微米以上的生物、医药等样品的精确到原子层面的射线衍射数值模拟，现代超级计算机如具有GPU-CPU异构的计算机。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了多原子体系射线衍射的快速分析方法，包括以下步骤：
建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；
确定原子与距离最近的实空间格点的关联；
建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；
采用泰勒展开对传统算法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；
以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅。
进一步的，所述泰勒展开的计算公式具体为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
表示自然对数的底数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
表示倒空间中格点上的转移动量在x方向上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
是任一原子位置与实空间关联格点之间的位置差在x方向上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
是单位虚数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
是泰勒展开的阶数，其值越大精确程度越高，但计算代价越大。
进一步的，所述各维度的变量求和包括第一个维度求和、第二个维度求和以及第三个维度求和；
第一个维度求和的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
分别表示另两个维度上的格点编号；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
表示与格点关联的不同原子的编号；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
表示倒空间的格点在第一个维度上的编号；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
表示倒空间格点上的转移动量在第一个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
表示原子的散射强度；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
表示原子位置坐标在第一个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE032
分别表示原子与关联格点的位置差在第二、第三两个维度上的分量；幂指数
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE036
从零一直取到泰勒展开的阶数；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE038
表示第一个维度求和的计算结果；
第二个维度求和的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE042
表示倒空间的格点在第二个维度上的编号；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE044
表示倒空间格点上的转移动量在第二个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE046
表示在第二维第三维上编号分别为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE050
的实空间格点坐标在第二个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE052
表示第二个维度求和的计算结果；
第三个维度求和的计算公式为：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE056
表示倒空间的格点在第三个维度上的编号；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE058
表示倒空间格点上的转移动量在第三个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE060
表示在第三维上编号为
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE062
的实空间格点坐标在第三个维度上的分量；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE064
表示第三个维度求和的计算结果。
进一步的，若所述实空间的格点阵列为二维，则依据泰勒展开直接进行变量求和；若所述实空间的格点阵列为三维，则可依据泰勒展开直接进行变量求和，或在第一个维度上建立的格点基础上进行变量求和。
进一步的，若所述实空间的格点阵列和/或倒空间的格点阵列是二维，则每个格点有两个编号；
若所述格点阵列是三维，则每个格点有三个编号；
任意一个编号不同，表示不同的格点；
格点阵列覆盖的空间范围和稀密程度由涉及的转移动量范围和计算要求的精确度决定。
进一步的，所述原子与距离最近的实空间格点的关联确定过程具体为：
为每个格点建立一个原子基团列表；
原子基团列表中的原子基团中存在至少一个原子在第二、三维度上的投影到相应格点的距离最近，而非离另一个格点更近；
构建一个调用函数，通过调用函数对每个格点遍历关联的原子基团中与该格点关联的原子。
进一步的，所述各维度的变量求和计算采用分布式计算和存储开展并行计算。
第二方面，提供了多原子体系射线衍射的快速分析系统，包括：
第一阵列模块，用于建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；
关联确定模块，用于确定原子与距离最近的实空间格点的关联；
第二阵列模块，用于建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；
分维计算模块，用于采用泰勒展开对传统算法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；
插值计算模块，用于以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅。
第三方面，提供了一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如第一方面中任意一项所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法。
第四方面，提供了一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如第一方面中任意一项所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出的多原子体系射线衍射的快速分析方法，通过采用泰勒展开的方式，使得基于原子位置的射线衍射计算可以按空间维度分离变量求和，每次求和只涉及一个维度，大大减小计算量的同时得到精确度按展开阶数指数上升的近似结果，可以在现代超级计算机上实现尺度可达微米以上的生物、医药等样品的精确到原子层面的射线衍射数值模拟，现代超级计算机如具有GPU-CPU异构的计算机；尤其是在多角度衍射、复色光衍射、大体系衍射等多种情形下，所需的计算代价显著小于传统的直接对每个原子和转移动量求和的计算方法；且原子数量越多，转移动量点越多，计算分析方法在减小计算代价上的益处越显著；
2、本发明对于不同的转移动量，每个原子的位置也只需要访问一次，非常适用于原子数量特别大、不适合将所有位置存储起来、只能临时算出来的情形；如果采用传统方法，原子位置需要计算多次，而本发明中的方法只需要计算一次。
3、本发明提供的分析方法易实现并行化和分布计算。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中的系统框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：多原子体系射线衍射的快速分析方法，以染色体为例，如图1所示，具体由以下步骤实现。
步骤一、建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列。
若格点阵列是二维，则每个格点有两个编号；若格点阵列是三维，则每个格点有三个编号；任意一个编号不同，表示不同的格点；格点阵列覆盖的空间范围和稀密程度由涉及的转移动量范围和计算要求的精确度决定。
选择转移动量分布范围最小的方向为第一个维度；以垂直于第一个维度的方向为第二个维度和第三个维度。由于在第二、三两维上拟采用快速傅里叶变换，在第二、三维度上建立大小为1.024μm x 1.024μm 二维实空间格点阵列，格点间距为1nm。
步骤二、确定原子与距离最近的实空间格点的关联。
由于原子坐标是按照碱基对存储的，为了建立原子与实空间格点的关联，为每个格点建立一个碱基对列表，每个列表中包含且仅包含如下的碱基对：碱基对中存在至少一个原子在第二、三维度上的投影到该格点的距离最近而不是离另一个格点更近；构建一个调用函数，使其可以对每个格点遍历关联的碱基对中与该格点关联的原子。
步骤三、建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列。
倒空间格点在第一维上的边界以转移动量在该维度上的分布范围为边界，间距取1/μm；在第二、三两个维度上的边界取为0-1/nm，该两个纬度每个维度上的数量为1024个。
步骤四、采用泰勒展开对传统算法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅。
泰勒展开的计算公式具体为：
Figure 93090DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 292122DEST_PATH_IMAGE004
表示自然对数的底数；
Figure 603017DEST_PATH_IMAGE006
表示倒空间中格点上的转移动量在x方向上的分量；
Figure 794964DEST_PATH_IMAGE008
是任一原子位置与实空间关联格点之间的位置差在x方向上的分量；
Figure 140495DEST_PATH_IMAGE010
是单位虚数；
Figure 697378DEST_PATH_IMAGE012
是泰勒展开的阶数，其值越大精确程度越高，但计算代价越大。在本实施例中，泰勒级数的阶数取5-10阶。
需要说明的是，若实空间的格点阵列为二维，则依据泰勒展开直接进行变量求和；若实空间的格点阵列为三维，则可依据泰勒展开直接进行变量求和，或在第一个维度上建立的格点基础上进行变量求和。
各维度的变量求和包括第一个维度求和、第二个维度求和以及第三个维度求和。
（1）第一个维度求和的计算公式为：
Figure 744837DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 740475DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 940512DEST_PATH_IMAGE018
分别表示另两个维度上的格点编号；
Figure 465035DEST_PATH_IMAGE020
表示与格点关联的不同原子的编号；
Figure 953785DEST_PATH_IMAGE022
表示倒空间的格点在第一个维度上的编号；
Figure 972687DEST_PATH_IMAGE024
表示倒空间格点上的转移动量在第一个维度上的分量；
Figure 27231DEST_PATH_IMAGE026
表示原子的散射强度；
Figure 253813DEST_PATH_IMAGE028
表示原子位置坐标在第一个维度上的分量；
Figure 830461DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 636743DEST_PATH_IMAGE032
分别表示原子与关联格点的位置差在第二、第三两个维度上的分量；幂指数
Figure 14634DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 880959DEST_PATH_IMAGE036
从零一直取到泰勒展开的阶数；
Figure 406618DEST_PATH_IMAGE038
表示第一个维度求和的计算结果。
需要说明的是，第一个维度求和的计算量最大的，在这一步中，倒空间格点在第一个维度上编号不同的涉及的计算完全不相关，采用分布式计算和存储开展并行计算，分布式存储和计算在第E步之前无需交互；在计算中需要遍历与格点关联的原子时，通过调用步骤二中的调用函数得到原子信息和位置；由于各格点关联的原子互不相同，这一步采用CPU或GPU并行加速；式3中m和n不同的，也采用CPU或GPU加速，并且优先采用GPU加速。
（2）第二个维度求和的计算公式为：
Figure 767324DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure 999722DEST_PATH_IMAGE042
表示倒空间的格点在第二个维度上的编号；
Figure 302527DEST_PATH_IMAGE044
表示倒空间格点上的转移动量在第二个维度上的分量；
Figure 784324DEST_PATH_IMAGE046
表示在第二维第三维上编号分别为
Figure 463567DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure 596477DEST_PATH_IMAGE050
的实空间格点坐标在第二个维度上的分量；
Figure 273446DEST_PATH_IMAGE052
表示第二个维度求和的计算结果。
需要说明的是，各b指标都需要对m进行求和，这一步也优先采用GPU并行加速；不同的A采用CPU并行计算，而指标b到B的转换则采用快速傅里叶变换技术。
（3）第三个维度求和的计算公式为：
Figure 242539DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure 194315DEST_PATH_IMAGE056
表示倒空间的格点在第三个维度上的编号；
Figure 463622DEST_PATH_IMAGE058
表示倒空间格点上的转移动量在第三个维度上的分量；
Figure 858962DEST_PATH_IMAGE060
表示在第三维上编号为
Figure 518614DEST_PATH_IMAGE062
的实空间格点坐标在第三个维度上的分量；
Figure 274080DEST_PATH_IMAGE064
表示第三个维度求和的计算结果。
需要说明的是，不同的指标A和B采用CPU并行计算，从c到C的计算采用快速傅里叶变换。
步骤五、此步骤计算量很小，先将步骤四中分布存储和计算的数据归集起来之后，再开展计算。以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅。
实施例2：多原子体系射线衍射的快速分析系统，如图2所示，包括第一阵列模块、关联确定模块、第二阵列模块、分维计算模块和插值计算模块。
其中，第一阵列模块，用于建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；关联确定模块，用于确定原子与距离最近的实空间格点的关联；第二阵列模块，用于建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；分维计算模块，用于采用泰勒展开对传统算法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；插值计算模块，用于以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅。
工作原理：本发明通过采用泰勒展开的方式，使得基于原子位置的射线衍射计算可以按空间维度分离变量求和，每次求和只涉及一个维度，大大减小计算量的同时得到精确度按展开阶数指数上升的近似结果，可以在现代超级计算机上实现尺度可达微米以上的生物、医药等样品的精确到原子层面的射线衍射数值模拟，现代超级计算机如具有GPU-CPU异构的计算机；尤其是在多角度衍射、复色光衍射、大体系衍射等多种情形下，所需的计算代价显著小于传统的直接对每个原子和转移动量求和的计算方法；且原子数量越多，转移动量点越多，计算分析方法在减小计算代价上的益处越显著。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，包括以下步骤：
建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；
确定原子与距离最近的实空间格点的关联；为每个格点建立一个原子基团列表；原子基团列表中的原子基团中存在至少一个原子在第二、三维度上的投影到相应格点的距离最近，而非离另一个格点更近；
建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；
采用泰勒展开对基于原子位置的射线衍射计算方法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；
以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅；
所述泰勒展开的计算公式具体为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示自然对数的底数；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示倒空间中格点上的转移动量在x方向上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE008
是任一原子位置与实空间关联格点之间的位置差在x方向上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE010
是单位虚数；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
是泰勒展开的阶数，其值越大精确程度越高，但计算代价越大。
2.根据权利要求1所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，所述各维度的变量求和包括第一个维度求和、第二个维度求和以及第三个维度求和；
第一个维度求和的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure DEST_PATH_IMAGE018
分别表示另两个维度上的格点编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示与格点关联的不同原子的编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示倒空间的格点在第一个维度上的编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE024
表示倒空间格点上的转移动量在第一个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE026
表示原子的散射强度；
Figure DEST_PATH_IMAGE028
表示原子位置坐标在第一个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure DEST_PATH_IMAGE032
分别表示原子与关联格点的位置差在第二、第三两个维度上的分量；幂指数
Figure DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure DEST_PATH_IMAGE036
从零一直取到泰勒展开的阶数；
Figure DEST_PATH_IMAGE038
表示第一个维度求和的计算结果；
第二个维度求和的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE040
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE042
表示倒空间的格点在第二个维度上的编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE044
表示倒空间格点上的转移动量在第二个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE046
表示在第二维第三维上编号分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE048
和
Figure DEST_PATH_IMAGE050
的实空间格点坐标在第二个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE052
表示第二个维度求和的计算结果；
第三个维度求和的计算公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE054
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
表示倒空间的格点在第三个维度上的编号；
Figure DEST_PATH_IMAGE058
表示倒空间格点上的转移动量在第三个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE060
表示在第三维上编号为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
的实空间格点坐标在第三个维度上的分量；
Figure DEST_PATH_IMAGE064
表示第三个维度求和的计算结果。
3.根据权利要求1所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，若所述实空间的格点阵列为二维，则依据泰勒展开直接进行变量求和；若所述实空间的格点阵列为三维，则可依据泰勒展开直接进行变量求和，或在第一个维度上建立的格点基础上进行变量求和。
4.根据权利要求1所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，若所述实空间的格点阵列和/或倒空间的格点阵列是二维，则每个格点有两个编号；
若所述格点阵列是三维，则每个格点有三个编号；
任意一个编号不同，表示不同的格点；
格点阵列覆盖的空间范围和稀密程度由涉及的转移动量范围和计算要求的精确度决定。
5.根据权利要求1所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，所述原子与距离最近的实空间格点的关联确定过程具体为：
构建一个调用函数，通过调用函数对每个格点遍历关联的原子基团中与该格点关联的原子。
6.根据权利要求1所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法，其特征是，所述各维度的变量求和计算采用分布式计算和存储开展并行计算。
7.多原子体系射线衍射的快速分析系统，其特征是，包括：
第一阵列模块，用于建立分维度编号的二维或三维的实空间的格点阵列；
关联确定模块，用于确定原子与距离最近的实空间格点的关联；为每个格点建立一个原子基团列表；原子基团列表中的原子基团中存在至少一个原子在第二、三维度上的投影到相应格点的距离最近，而非离另一个格点更近；
第二阵列模块，用于建立与衍射实验范围和精度对应的倒空间的格点阵列；
分维计算模块，用于采用泰勒展开对基于原子位置的射线衍射计算方法作近似处理，分别对各维度的变量求和计算出倒空间格点的振幅；
插值计算模块，用于以倒空间格点的振幅作为输入，并通过插值计算得到任意转移动量上的振幅；
所述泰勒展开的计算公式具体为：
Figure 279507DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 462227DEST_PATH_IMAGE004
表示自然对数的底数；
Figure 773122DEST_PATH_IMAGE006
表示倒空间中格点上的转移动量在x方向上的分量；
Figure 450222DEST_PATH_IMAGE008
是任一原子位置与实空间关联格点之间的位置差在x方向上的分量；
Figure 530174DEST_PATH_IMAGE010
是单位虚数；
Figure 883795DEST_PATH_IMAGE012
是泰勒展开的阶数，其值越大精确程度越高，但计算代价越大。
8.一种计算机终端，包含存储器、处理器及存储在存储器并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任意一项所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法。
9.一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，其特征是，所述计算机程序被处理器执行可实现如权利要求1-6中任意一项所述的多原子体系射线衍射的快速分析方法。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114969029A (zh) * 2022-04-22 2022-08-30 南京航空航天大学 一种基于泰勒展开的多维插值方案及其维间点取值方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1958234A1 (de) * 1968-12-16 1970-07-09 Ibm Mikroskopie-Geraet zur Untersuchung kristallinen Materials
WO2020084272A1 (fr) * 2018-10-26 2020-04-30 Ixblue Système et procédé d'interferomètre atomique multi-axes
WO2021108715A1 (en) * 2019-11-26 2021-06-03 Sail Sv Llc X-ray imaging system
CN113160376A (zh) * 2021-05-13 2021-07-23 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种多色光照明三维粒子成像系统及方法
CN113447507A (zh) * 2021-06-28 2021-09-28 中国科学技术大学 一种x射线衍射信号的采集方法、系统、设备及存储介质

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6943900B2 (en) * 2000-09-15 2005-09-13 Timbre Technologies, Inc. Generation of a library of periodic grating diffraction signals
US20100082306A1 (en) * 2008-01-02 2010-04-01 Mills Randell L System and method of computing the nature of atoms and molecules using classical physical laws
US10006859B2 (en) * 2014-07-24 2018-06-26 Nxgen Partners Ip, Llc System and method for multi-parameter spectroscopy

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1958234A1 (de) * 1968-12-16 1970-07-09 Ibm Mikroskopie-Geraet zur Untersuchung kristallinen Materials
WO2020084272A1 (fr) * 2018-10-26 2020-04-30 Ixblue Système et procédé d'interferomètre atomique multi-axes
WO2021108715A1 (en) * 2019-11-26 2021-06-03 Sail Sv Llc X-ray imaging system
CN113160376A (zh) * 2021-05-13 2021-07-23 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种多色光照明三维粒子成像系统及方法
CN113447507A (zh) * 2021-06-28 2021-09-28 中国科学技术大学 一种x射线衍射信号的采集方法、系统、设备及存储介质

Non-Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Comparative Study of Harmonic Generation in Air and Argon in Light Filaments Driven by Circularly Polarized Mid-IR Pulses;Valentina Shumakova等;《2019 Conference on Lasers and Electro-Optics Europe & European Quantum Electronics Conference (CLEO/Europe-EQEC)》;20191017;第1页 *
Interpretation of displacement-caused diffuse scattering using the Taylor expansion;BD Butler等;《Acta Crystallographica Section A》;19930331(第49期);第736-743页 *
基于单晶原位X射线衍射直接测量任意冲击方向下的晶格应变;陈小辉等;《第十四届全国物理力学学术会议缩编文集》;20160927;第168页 *
应用X射线倒易空间衍射图研究CdZnTe晶片;姬洪等;《第八届全国X射线衍射学术会议论文集》;20031001;第37页 *
电子衍射斑点与倒格点关系的探讨;孙肇玲;《河北工学院学报》;19840930(第3期);第82-87页 *
较小动量转移下γ射线的相干散射;方渡飞等;《物理学报》;19870531(第5期);第640-645页 *
量子微腔中原子束偏转与衍射的横向动量效应;朱红波等;《中国科学(A辑)》;20001020;第30卷(第10期);第928-934页 *

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