专利名称：X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析方法
x射线衍射电荷密度恢复、处理及分析方法技术领域本技术发明主要应用于物质结构研究领域，属物理学中晶体学范畴。此发 明成果可用于物理学、晶体学、化学、地质矿物学、制药、分子生物学等研究领域。技术背景晶体学作为一门基础学科主要以研究晶体结构为目的。在经过一个多世纪 的发展后，目前，晶体学已经成为物理学、化学、生物分子学、矿物学等学科 中必不可少的一门基础知识。近一、二十年来，随着新材料、新能源、信息技 术、生物工程技术的发展，人们越来越认识到，决定物质的物理、化学性能的 关键因素是物质中的电子结构。这就对过去只研究晶体结构中原子排布的晶体 学研究提出了更高的要求。即如何得到晶体中电子分布信息，为其它学科研究 服务。幸运地是，随着实验仪器和计算机技术的飞速发展，使过去需要做大规模计算才能实现的处理方法现在得以应用。最大熵X-ray衍射电荷密度恢复算 法就是在这一背景中被发展起来的。这一算法的实现，可以利用现有衍射仪器 的实验数据就可以研究晶体结构中电子结构特点，进而解释晶体中化学成键的 特性，解释其物理、化学特点。^材料学、物理学、化学、矿物学、分子生物学研究服务。 发明内容本发明基于最大熵理论，利用改进Gull-Daniel 1算法(见图1)和混基快 速傅立叶变换算法(MRFFT)开发、编写了整套电荷密度恢复、处理和分析程序。程序名称为Rainbow ME,整套程序利用Visual Basic语言编写，在Windows 操作系统下运行(见图2)。改进Gul1-Daniell算法具有程序编写简单，计算 步骤清晰的特点。计算过程中，拉格朗日因子可以自动修正，从而达到迭代收 敛速度的最优化。混基快速傅立叶变换算法的使用使本方法摆脱了基2快速傅 立叶变换对网格划分的東缚,使得本发明可以使正空间网格划分没有特殊限制， 从而可以使此分析方法适用所有7个晶系，230个空间群的晶体。基于上述特 征开发的Rainbow ME程序操作简单、界面友好、可在微机中单独使用、便于升 级。计算过程具有速度快捷、正空间网格划分灵活、内存使用小于1GB、具备 电子空间表查询系统的特点。计算结果以维也纳大学开发的计算物理程序 Wien97/Wien2k三维电荷密度显示数据格式存储，扩展名为rho文件。此文件 可以用VENUS, XCrySDen等程序打开显示，这些程序可以在互联网上免费得到。计算流程(1) 衍射实验数据读取(2) 产生一套平均电荷密度作为计算的起始密度(3) 通过电荷密度计算结构因子，在此计算过程中使用了混基快速傅立叶 变换算法(MRFFT)(正傅立叶变换)(4) 计算R值，R值定义为<formula>formula see original document page 4</formula>其中，F。bs:实验结构因子； F"计算结构因子； SF。bs:实验偏差(5) 利用Gull-Daniell迭代算法计算新一轮电荷密度，在此计算过程中使用了混基快速傅立叶变换算法(MRFFT)(逆傅立叶变换)。 Gull-Daniell迭代算法计算公式如下ln/7("+'Vh^丄xX(尸。"，—、，^))xe一'h其中/^'为第n+l步迭代计算电荷密度值； K,为第n步计算结构因子；z为单位晶胞中总电子数； N为总网格数； A为拉格朗日因子(6) 重复过程(4)(7) 当R值收敛小于阆值时，计算结束 程序操作过程以六方GaN粉末衍射数据为例(1) 双击RianbowME图标，程序开始运行(图3 )。(2) 点击"最大熵"选项中的"电荷密度"模块，进入最大熵计算参数设 定界面(图4 )。(3) 点击"Space Group"选项，进入电子空间群表模块，选择适当的空 间群(图5 )，本例选取186号P63mc空间群。点击"0K"。(4) 设定计算参数。计算参数包括晶胞参数a, b， c, a， P， y;正 空间网格数，本例使用16x16 x 32网格；实验数据釆集范围H, K, L值；单位晶胞中总电子数，本例为76;拉格朗日因子设定；迭代次数设定；收敛标准设定。输入完毕后点击"OK"离开(图6)。如果这些选项有遗漏，程序将有提示对话框发出提示信息。(5) 点击"最大熵"中"运行"选项，开始运行。(6) 运行过程中实时显示计算收敛曲线，在计算结東后有提示对话框发出 提示信息(图7)。如计算出现不收敛和意外中断错误，程序也会有 提示对话框发出提示信息。(7) 计算结東后，打开计算结果文件。此文件可以用日本科研小组开发的 VENUS程序打开显示(图8和图9)。
图l为最大熵算法流程图。图2为Rainbow ME程序界面截图。图3为程序开始运行界面。图4为程序运行过程中，点击最大熵选项中的电荷密度模块，进入最大熵计 算参数设定界面。图5为程序运行过程中，单击"Space Group"，进入电子空间群表。 图6为程序运行过程中，设定计算参数，点击"OK"离开。 图7为程序运行过程中，实时显示计算收敛曲线，计算结東后有提示显示。 图8为程序运行过程中，GaN三维电荷密度显示，大球为Ga原子，小球为N 原子。图9为程序运行过程中，GaN (110)晶面电荷密度显示。
权利要求
1.一种基于最大熵理论的X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析方法。该方法可以通过分析处理单晶和粉末衍射数据，得到晶体结构中电荷密度在三维空间分布的信息；该信息用于分析化学键的离子性、共价性、和极化率等性质；该方法的包括参数输入、实验衍射数据读取、计算条件设定、电子国际晶体学表查询、迭代计算、计算收敛过程图型显示，计算结果输出等几个功能；该方法的特征在于在最大熵计算过程中使用了改进Gull-Daniell迭代计算算法；该算法可以在每步迭代计算过程中自动修正拉格朗日因子，从而保证计算收敛速度。
2. 如权利要求1所使用的最大熵理论的X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析 方法，其在迭代计算过程中具备使用混基快速傅立叶变换算法(Mixed Radix Fast Fourier Transform)的特征；此特征使得计算过程中可以使网格划分随 样品对象不同而灵活改变；从而使此方法适用于晶体学分类中所有230个空间 群的对称性。
3. 如权利要求1所使用的最大熵理论的X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析 方法，利用Visual Baisc语言开发整套计算程序。此程序运行于Windows搡作 系统平台下，具有最大使用内存为1GB;最大格点划分可以达到300 x 300 x 300; 最大可计算衍射点数目限定为27000000的特点。
4. 如权利要求1所使用的最大熵理论的X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析 方法即可以处理单晶X-ray衍射数据也可以处理粉末晶体X-ray衍射实验数据。
5. 如权利要求1所使用的最大熵理论的X射线衍射电荷密度恢复、处理及分析 方法可用于物理学、化学、矿物学、材料学、药物合成、生物大分子等研究领 域。
全文摘要
本发明主要是提出一整套利用X-ray衍射数据恢复、处理和研究晶体结构中电荷密度空间分布的理论方法。并利用Visual Basic语言编写了整套计算程序。这一方法具有原理清晰，计算速度快，不需要对每一种元素进行单独处理，适用性广，分析结果较为可靠的优点。而基于此原理开发的Rainbow ME程序包具有以下优点1.用户界面友好，操作方便。2.计算稳定，便于扩展升级。3.计算网格密度大(300×300×300)。4.节省内存(＜1GB)。5.由于使用了混基Fourier变换技术，对网格划分没有特定要求，可以依据样品晶胞参数条件进行灵活网格划分。此理论方法和程序可用于物理学、化学、矿物学、材料学、医药研究、分子生物学等领域。
文档编号G06F17/14GK101246134SQ20081008510
公开日2008年8月20日 申请日期2008年3月19日 优先权日2008年3月19日
发明者泽 张, 晖 李, 李家驹 申请人:北京工业大学