大窪 貴洋
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#+TITLE: dump2sq
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#+AUTHOR: 大窪 貴洋
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#+LANGUAGE: en
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#+EMAIL: ohkubo.takahiro@faculty.chiba-u.jp
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#+OPTIONS: toc:2 num:nil author:t creator:nil LaTeX:nil \n:nil ^:{}
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#+SETUPFILE: https://amorphous.tf.chiba-u.jp/org-html-themes/org/theme-readtheorg.setup
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#+MACRO: color @@html:<font color="$1">$2</font>@@
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#+MACRO: kakomi @@html:<div style="margin: 1em auto; padding: 1em; width: 100%; border: 2px dotted #ff0000;background-color: #ff;border-radius: 1px">$1</div>@@
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\\
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# * Author
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# [[https://amorphous.tf.chiba-u.jp/][大窪 貴洋]] (千葉院工)
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* はじめに
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複数の時間ステップからなる時間ステップの構造データから、動径分布関数
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$g(r)$ 、積算配位数 $CN(r)$ 、構造因子 $S(Q)$ を計算するプログラムです。
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Triclinicなセルでも計算できます。原子ペア毎の$S(Q)$ を計算した後、原子
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散乱因子または中性子散乱長を使って、X-rayと中性子回折実験的で観測され
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る $S(Q)$ を計算します。$g(r)$ は、セルサイズ $L/2$ を超えても計算でき
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ます。$L/2\sqrt{3}$ まで確保しても良さそうです。産総研の土田さんにアド
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バイスいただきました。
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https://www.cmu.edu/biolphys/deserno/pdf/gr_periodic.pdf
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1ステップ毎に$g(r)$ と$S(Q)$ を計算して最後に時間平均しています。よっ
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て、NPT計算でセルサイズが変わったとしても問題なく計算できます。計算コ
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ストのほとんどは、原子間距離の計算です。
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* 入力ファイル
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拡張子で入力ファイルのformatを判断しています。
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** LAMMPS
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dumpコマンドで生成したファイルで、拡張子は.trajectryです。1ス
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テップ目で原子のならび決めて、2ステップ目以降は、同じ原子の並びとし
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て計算しています。時間ステップで原子の並びが変わると、正しい結果に
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ならないので注意してください。データの並びを決め打ちしています。そ
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のため、以下のようにdumpとdump_modifyで元素記号の出力し、idでsortし
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ておく必要があります。
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#+begin_example
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dump 1 all custom 10 hoge.lammpstrj id type element x y z
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dump_modify 1 element Si O sort id
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#+end_example
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** XYZ
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xyz形式で、拡張子は.xyzまたは.10です。す。1行目に原子数、2行目に
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Step数と、格子定数を記述しておきます。alpha, beta, gammaがない場合
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は、90, 90, 90とします。3行目以降にデータがならびます。2ステップ目
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以降も同じ形式でデータを並べます。
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#+begin_example
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420
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Step 225837 18.4116484 18.4116484 18.4116484 90 90 90
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Si 10.560073 17.438902 6.614775
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O 17.812448 0.110128 0.3462461
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.
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.
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.
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#+end_example
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* 出力ファイル
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4つのファイルに拡張子を追加して出力します。basenameは、指定しなけれ
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ば、インプットファイルと同じになります。
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** 積算配位数
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拡張子はcnです。原子ペア毎の $CN(r)$ が保存されています。
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** 動径分布関数
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拡張子はgrです。原子ペア毎の $g(r)$ と全原子 $G(r)$ が保存されています。
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** 構造因子
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拡張子はsqです。原子ペア毎の $S(Q)$ とX線と中性子で観測される $S(Q)$ が保存されています。
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** 原子散乱因子と中性子散乱長
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拡張子はcoeffです。中性子散乱長と原子散乱因子を出力します。原子散乱
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因子は、[[https://www.szfki.hu/~nphys/rmc++/downloads.html][xcoeff.f]]から抽出しています。中性子散乱長は、[[https://www.ncnr.nist.gov/resources/n-lengths/][NIST]]のデータを
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参照しています。
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* インストール
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プログラムはCで作成しています。Cのコンパイラを準備してmakeしてください。
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ダウンロードして単にmakeしてください。
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[[file:dump2sq-1.0.tar.gz][dump2sq-1.0.tar.gz]]
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#+begin_example
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make
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#+end_example
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# iccでOMT_NUM_THREAD > 1にすると、S(Q)がおかしくなる。g(r)は正しいのに…。
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# 原因不明。Threadは1にしとく。
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# icc用のMakefileも準備しています。
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# #+begin_example
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# make -f Makefile.icc
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# #+end_example
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# これで、dump2sqが生成されます。
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* 使い方
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並列計算のために、環境変数をセットしてスレッド数を指定しておく。
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#+begin_example
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export OMP_NUM_THREADS=4
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#+end_example
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example以下のglass.lammpstrjを引数で渡して実行してみます。
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#+begin_example
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dump2sq example/glass.lammpstrj
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#+end_example
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デフォルトで、$g(r)$ を計算する$r$ の最大値は、もっとも小さいセル長
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さの半分としています。プログラムが実行されると、次のように出力されて、
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4つのファイルが出力されます。
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#+begin_example
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basename: example/glass
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Maximum cell length = 17.284100
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Rmax = 8.642050
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Start Gr and Sq calculation...
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Calculation 0 steps...
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Calculation 10 steps...
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Calculation 20 steps...
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Calculation 30 steps...
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Calculation 40 steps...
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Calculation 50 steps...
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Calculation 60 steps...
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Calculation 70 steps...
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Calculation 80 steps...
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Calculation 90 steps...
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Total: 99 steps
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example/glass.coeff was generated.
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example/glass.cn was generated.
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example/glass.gr was generated.
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example/glass.sq was generated.
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#+end_example
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$g(r)$ の$r$ ステップや最大値、$Q$ の範囲をコマンドラインで指定できます。詳細
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は、ヘルプを参照してください。ヘルプで表示される[ ]の値はデフォルト
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値です。GRmaxは、セルサイズを超えても計算できますが、物理的な意味は
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ないでしょう。
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#+begin_example
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./dump2sq -h
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usage: dump2sq [options] inputfile
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inputfile format
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LAMMPS: *.lammpstrj
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FEMTECK: *.10
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options:
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-h --help show this help message
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--SQmin=%f Q minimum [0.2]
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--SQmax=%f Q maximum [30]
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--SQdel=%d Q delta [0.02]
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--GRmin=%f r minimum [0.025]
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-r --GRmax=%f r maximum [L(minium cell length)*0.5]
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-s --GRdel=%d r delta [0.05]
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-o --output=%s Output basename [basename]
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#+end_example
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* misc
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** coeffploter.py
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元素を指定して、原子散乱因子と中性子散乱長をプロットする。
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** gr2sq.py
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Qの刻みを変えて再計算するために、dump2sqで生成したgrファイルから
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S(Q)を計算しなおす。結晶のパターンを計算するために、$2\theta$ で$Q$
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を指定して計算することもできる。$\theta$ と$Q$ の関係は以下のとおり。
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defaultで波長は、CuのK alpha線の1.54183 Åとしている。
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$$
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Q = \frac{4\pi}{\lambda}\sin(\theta)
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$$
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