一种可视化动态小角散射实验数据处理系统技术方案

本发明专利技术涉及一种可视化动态小角散射实验数据处理系统，包括：数据导入模块，用于获取小角散射实验数据；函数拟合模块，用于对所述小角散射实验数据进行函数拟合；可视化模块，用于对拟合过程及结果进行可视化；其中，所述函数拟合模块进行拟合的具体过程为：1)选择与散射强度相关的系统因子、形状因子和引入的分布函数的形式；2)根据步骤1)的选择结果计算总散射强度；3)考虑散射背底噪音以及大尺度晶体结构的影响，将所述总散射强度转化为有效散射强度；4)根据所述有效散射强度，采用最小二乘法进行数据拟合。与现有技术相比，本发明专利技术具有数据处理过程动态化、可操作性高、可视化等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及小角散射数据处理
，尤其是涉及一种可视化动态小角散射实验数据处理系统。
技术介绍
众所周知，材料中纳米级别的结构如金属中的纳米颗粒、纳米高分子结构、纳米级别蛋白结构等对材料的性能有着至关重要的影响。然而，尽管高分辨率透射电镜(TEM)、原子探针成像(APT)等技术能给出非常精确的纳米结构直观信息，但由于其探测技术的制样较为困难、检测耗时长、表征区域大小受局限，此类微观表征技术无法给出具有统计学意义的数据信息，且探测结果受样品均匀性影响严重，无法达到统计、定量表征的目的。故而准确地获得纳米结构具有统计学意义的定量信息已成为当今迫在眉睫的一项科学课题，而中子、高能X射线小角散射技术因其高能量、高穿透率等特点，是解决此难题的有力工具。中子、高能X射线小角散射技术这一国际科技前沿技术，虽然能够有力解决许多科学问题，然而无论是中子源还是高能X射线源，都需要大装置支持，自从上世纪中叶中子反应堆投入科学研究起，国际上不少发达国家都大力发展中子源及同步加速装置，如美国的ORNL、NIST，法国ILL、LLB，德国FRM-2，澳大利亚OPAL中子反应堆等等，高能X射线同步辐射光源有欧盟的ESRF，美国的ALS，法国的SOLEIL等等，依托这些科学大装置，无论是在理论研究还是工程应用方面，许多世界级的难题迎刃而解。近年来，应国家在国防军工、科学技术、工程应用方面的发展需求，我国也致力于发展大装置技术，目前我国运行中的中子反应堆有：中国工程物理研究院的CMRR堆，中国原子能科学研究院的CARR堆等，而建设中的中国散裂中子源CSNS更是世界上继美国SNS，英国ISIS和日本J-Parc之后全球第四座散裂中子源。同步辐射加速器方面有上海光源、北京光源等接轨世界一流技术水平的大型装置。在大装置技术的支持下，许多科学、工程难题都有了解决之法。中子、X射线小角散射技术能够提供准确、定量的纳米结构信息，然而这一技术的难点除了依赖大型装置，在后期实验数据分析建模方面也是公认的难点，目前即使在世界范围内，小角散射技术的数据处理依然存在巨大的发展空间。而我国由于大装置技术仍然处于起步发展阶段，虽然硬件建设获得了突飞猛进的进步和令人瞩目的成果，但在软件支持上，如小角散射数据建模、定量分析拟合等方面，仍然存在许多空白之处。我国的大型装置如上海光源、中子散裂源等，大部分线站设备的定位是开放的、面向社会用户的科学装置，然而由于大部分用户并非散射物理科学家，对小角散射技术的研究有限，而此类科学家使用大装置的目的大多是利用大装置观察研究样品的结构和机理。而小角散射技术的数据处理难题，很多时候成了这些普通用户科学研究中的绊脚石，造成宝贵的束流时间、实验数据由于后期分析处理不到位而浪费，本可以得到定量统计数据的，只得出一个初略的定性结果；或是对于大批量实验或原位实验，大量数据耗费巨量计算时间，无法实现批处理以提高工作效率等。故而要推广发展大装置技术、让我国先进大装置更好地为国家科学技术、工程应用服务，提高大装置用户体验和工作效率，需要建立一套面向普通用户的后期数据建模分析程序，这也是国外大型装置小角散射线站的惯例，不少国际著名的中子源和同步辐射光源的小角散射线站都有其著名的配套的用户软件，如瑞士PSI实验室的Sasfit，美国NIST的IGOR，法国LLB的pySAS等等，而我国在这方面基本仍是空白。而且使用国外成熟软件的用户存在以下问题或不便之处，首先国外成熟软件大多是为了配套其中子源或同步辐射装置而设计，在读入数据格式时，往往对应于其设备自己的格式，对于非该装置用户则需要对数据进行格式预处理，较为不便；其次，国外成熟软件往往有过于专业细化，上手较难的问题，如瑞士的Sasfit软件，可调参数及其多样，对于小角散射物理学家来说，可能在一定时间的研究后能熟练使用，而对普通用户而言，则较为难以驾驭；另外，国外软件除了英语界面之外，如法国LLB的pySAS采用法语界面，为用户的使用带来不便。然而建立这样一套小角散射数据拟合软件的难点在于：1)不同材料间的小角散射数据处理模型差异很大，例如高分子材料和金属材料，固体样品和溶液样品，甚至不同的金属体系之间的数据模型都大相径庭，必须由熟悉这一材料系统并且掌握小角散射技术原理的科学家，才能准确地给出数据计算模型。2)对于定量小角散射实验数据的拟合处理，需对实验数据进行标定、归一化和标样校准。3)对于某些特殊样品，需要特别的技术支持，如加载磁场的小角散射实验等。4)面向用户的拟合软件界面不能过于复杂，需保持计算准确性、可靠性的前提下，尽可能地操作简单易懂。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种数据处理过程动态化、可操作性高的可视化动态小角散射实验数据处理系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种可视化动态小角散射实验数据处理系统，包括：数据导入模块，用于获取小角散射实验数据；函数拟合模块，用于对所述小角散射实验数据进行函数拟合；可视化模块，用于对拟合过程及结果进行可视化；其中，所述函数拟合模块进行拟合的具体过程为：1)选择与散射强度相关的系统因子、形状因子和引入的分布函数的形式；2)根据步骤1)的选择结果计算总散射强度；3)考虑散射背底噪音以及大尺度晶体结构的影响，将所述总散射强度转化为有效散射强度；4)根据所述有效散射强度，采用最小二乘法进行数据拟合。所述系统因子表示为：其中，q表示散射矢量，N为散射颗粒数目，r表示两颗粒之间的距离，函数g(r)表示为R表示颗粒半径。对于硬质圆球，所述形状因子表示方法为：其中，q表示散射矢量，R表示颗粒半径；对于椭球，所述形状因子表示方法为：其中，a、b分别表示椭球的短轴及长轴，对x进行0-1的定积分。所述分布函数包括单高斯分布函数、对数分布函数和双高斯等分布函数。所述步骤2)中，当引入的分布函数为单高斯分布函数或对数分布函数时，总散射强度的计算公式为：其中，V(R)为颗粒体积，Δρ表示密度差，fv表示颗粒的体积分数，当引入的分布函数为双高斯等分布函数时，总散射强度的计算公式为：其中，Δρ2·fv为常数。所述步骤2)中，总散射强度的计算基于以下假设：a)样品中含有Np个颗粒；b)所有的颗粒具有相同的散射长度，即具有相同的化学成分；c)颗粒体积为V；d)所有的颗粒均匀的分布在基底中。所述步骤4)的数据拟合过程中，采用最小二乘法求得最小卡方值其中，P是数据点，m是拟合参数数量，ΔI(qi)是散射强度测量值的不确定值Idat(qi)是计算获得的有效散射强度，Ifit(qi)为拟合后的散射强度。还包括：Guinier近似拟合模块，用于采用Guinier近似法对所述小角散射实验数据进行拟合；拟合模式选择模块，用于切换Guinier近似拟合模块和函数拟合模块的启动。还包括语言切换模块。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术建立有各类常见的小角散射计算拟合模型，可用于处理中物院CMRR中子源、上海光源同步辐射SSRF、中国散裂中子源CSNS等小角散射线站的数据处理，发展小角散射技术，也可适用于国外成熟大装置小角散射线站的实验数据处理，可针对中子、同步辐射高能X射线、普通X射线等小角散射技术进行定量数据分析，适用范围广。2)本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，包括：数据导入模块，用于获取小角散射实验数据；函数拟合模块，用于对所述小角散射实验数据进行函数拟合；可视化模块，用于对拟合过程及结果进行可视化；其中，所述函数拟合模块进行拟合的具体过程为：1)选择与散射强度相关的系统因子、形状因子和引入的分布函数的形式；2)根据步骤1)的选择结果计算总散射强度；3)考虑散射背底噪音以及大尺度晶体结构的影响，将所述总散射强度转化为有效散射强度；4)根据所述有效散射强度，采用最小二乘法进行数据拟合。

【技术特征摘要】
1.一种可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，包括：数据导入模块，用于获取小角散射实验数据；函数拟合模块，用于对所述小角散射实验数据进行函数拟合；可视化模块，用于对拟合过程及结果进行可视化；其中，所述函数拟合模块进行拟合的具体过程为：1)选择与散射强度相关的系统因子、形状因子和引入的分布函数的形式；2)根据步骤1)的选择结果计算总散射强度；3)考虑散射背底噪音以及大尺度晶体结构的影响，将所述总散射强度转化为有效散射强度；4)根据所述有效散射强度，采用最小二乘法进行数据拟合。2.根据权利要求1所述的可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，所述系统因子表示为：S(q→)=1+N·∫V(g(r)-1)sin(q→r)qr4πr2dr]]>其中，q表示散射矢量，N为散射颗粒数目，r表示两颗粒之间的距离，函数g(r)表示为R表示颗粒半径。3.根据权利要求1所述的可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，对于硬质圆球，所述形状因子表示方法为：其中，q表示散射矢量，R表示颗粒半径；对于椭球，所述形状因子表示方法为：其中，a、b分别表示椭球的短轴及长轴。4.根据权利要求1所述的可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，所述分布函数包括单高斯分布函数、对数分布函数和双高斯等分布函数。5.根据权利要求4所述的可视化动态小角散射实验数据处理系统，其特征在于，所述步骤2)中，当引入的分布函数为单高斯分布函数或对数分布函数时，总散射强度的计算公式为：其中，h(R)表示引入的分布函数，V(R)表示颗粒体积，Δρ表示密度差，fv表示颗粒的体积分数，Δρ2·fv为常数，当引入的分布函数为双高斯等分布函数时...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟圣怡，陈哲，邱思琦，王明，王浩伟，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31