[发明专利]多原子体系射线衍射的快速分析方法、系统、终端及介质

说明书

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。

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：

其中，表示自然对数的底数；表示倒空间中格点上的转移动量在x方向上的分量；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；是单位虚数；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：