一种X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法

摘要

本发明属于材料细分领域，一种X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法包括：对斑点坐标系K(h，k，l)的衍射斑点W进行强度分布的校正；校正后，一个强度弥散的衍射斑点W校正为强度集中的衍射斑点W＇；通过直接积分I总＝∫f总(x,y)dxdy(其中,f(x,y)为斑点W在各坐标点位置点(x，y)的强度计算出总强度I总；通过高斯函数拟合出背景(其中a、c为拟合参数)，并通过积分I背景＝∫f背景(x,y)dxdy计算I背景；根据I信号＝I总‑I背景计算出校正后的I信号，本发明通过将分散的衍射点强度分布的数据图校正成集中的衍射点强度分布，确保X射线单晶衍射实验数据的准确性，更利于确保后续参与电子结构精修的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及材料分析技术领域，尤其涉及一种X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法。

背景技术

材料科学是现代科学技术的基础和先导，对材料结构及材料构造关系的认知水平直接决定了新材料的研发能力。

材料的微观结构包括晶体结构、局域结构、和缺陷结构等原子层次的结构以及电子结构，其中电子结构从根本上决定了材料的本征性能。目前，材料原子层次结构的实验测试技术已经发展得非常成熟，但电子结构实验测试一直处在探索阶段，尽管电子结构可由第一性理论计算获得，但理论计算采用假设近似多，计算结果与实际情况有偏差，难以指导高性能材料的设计。

因而，如何获得材料的实验电子结构是一个关键科学问题。该问题的解决有助于实现我国材料结构的实验研究从原子层次到电子层次的跨越，并加速一批国防和民用关键功能材料的研发进程。

图1为现有技术利用X射线的实验结构图，X射线入射在待测晶体上，X射线通过该待测晶体后进行衍射，可以通过获取高精度、高分辨率的X-ray单晶衍射数据(位置与强度信息)，并进行电子结构精修，反推出材料的实验电子结构是可行的，最终可获得静态和使役条件下材料的实验电子结构，电子结构可使用电子密度、密度矩阵或电子波函数来描述。

但是，在X射线衍射实验过程中，由于通常使用二维平板探测器第一位置，当衍射点入射方向与探测器第一位置平面不垂直时，衍射点强度峰形为非高斯分布，如图2所示：这样对衍射点的中心位置的精度确认带来误差，衍射角度越高，衍射点的位置误差就越大。

发明内容

本发明提出的一种X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：一种X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法，其特征在于：包括步骤一、对每个强度指标K(h，k，l)的斑点W进行强度分布的校正；校正后，一个强度弥散的衍射斑点W校正为强度集中的衍射斑点W＇；步骤二、通过直接积分I

其中，优选方案为：所述校正后的I

其中，优选方案为：步骤一包括：步骤A、指标参数K(h，k，l)选取一光斑W，设定所述光斑W的直径为H1，建立以待测晶体设定为仪器坐标系的原点O，原点O到探测器第一位置的垂直线为X轴，探测器第一位置为Y轴的二维坐标体系T，光斑W的中心点为H0，待测晶体到探测器第一位置的距离为d，在直径H1的光斑W上任一选取待校正的A点,A点的位置坐标位置为(x

其中，优选方案为：设校正前该衍射斑点最底部的像素点与晶体的高度为H2，待校正的A(x

根据方程(1)和(2)，以及A(x

其中，优选方案为：光斑W选取多个衍射点的坐标为：A(x

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过该校正方法能将分散的衍射点强度分布的数据图校正成集中的衍射点强度分布，获得更准确的信号强度I

附图说明

图1为现有技术X射线单晶衍射实验获取衍射光斑强度的示意图；

图2为现有技术利用X射线晶体衍射后的在探测器上获取的光斑图；

图3为本发明X射线单晶衍射实验的高角度衍射数据非高斯偏差的校正方法的示意图；

图4为本发明校正光斑w中心点H0下面衍射点的示意图；

图5为本发明校正光斑w中心点H0上面衍射点的示意图。

图6为本发明LiB3O5晶体光斑的校正后的效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图3所示：为了通过校正获取更精准的I

包括：步骤一、对指标参数K(h,k,l)中选取衍射斑点W进行强度分布的校正；校正后，一个强度弥散的衍射斑点W校正为强度集中的衍射斑点W＇；步骤二、通过直接积分I

所述校正后的I

其中，首先步骤一，从图2中的探测器第一位置的接收板上对衍射光斑W进行强度分布的校正；其中，每个光斑W通过参数K(h，k，l)定义其在探测器上的位置。

如图2所示：实际接收到的检测数据，即光斑W都不是均匀的高斯分布，这是因为实际晶体存在不可避免的缺陷导致入射到探测器第一位置都不是垂直入射，因而每个光斑W都是由弥散的衍射点组成，这样，获取的数据难免存在偏差，这就需要修正会变成一个强度集中的衍射点，以确保I

具体校正过程如下：如图4所示：在上述图4中探测器第一位置的坐标系中选取位置K(0，1，1)的一光斑W，所述光斑W的直径为H1，光斑W的中心点为H0,待测晶体设定为仪器坐标系的原点O，原点O到探测器第一位置的垂直线为X轴，探测器第一位置为Y轴形成二维坐标体系T中，待测晶体到探测器第一位置的距离为d，在光斑W中心点HO的下方选取待校正A点，A点的位置坐标位置为(x

θ

θ

θ

L1：原点0到A＇(x

L2：原点0到待校正点A之间的距离；

L3为：L1与L2之差；

L4为：原点0到光斑W中心h0之间的距离；

斑点W的中心位置H0在二维坐标系T中的高度为ave{H1/2+H2}，ave{H1/2+H2}表示为：H1/2+H2的平均值。

其中，A(x

如图4所示：根据三角函数关系，计算出：θ

θ

同样：根据三角函数关系，可从第一步的角度计算出L1，L2，L3以及L4

L4＝sqrt(d

HO点以下的衍射点部分：L2＝d/cos(θ

根据直线方程，计算A和A＇的坐标关系：

直线方程1：

x

方程2：

HO点以下的衍射点部分：

根据方程(1)和(2)，以及A(x

为了进一步验证其校正方法，如图5所示：同样，在光斑W中心点H0的上方选取待校正B点,B点坐标为(x

根据三角函数关系，可从第一步的角度计算出L1，L2，L3,

L4＝sqrt(d

O点以上的衍射点部分：L2＝d/cos(θ

X

方程2：

O点以上的衍射点部分：

根据方程(3)和(4)，以及B(x

不难看出：在校正过程中，在光斑W的中心点H0的分别上、下选取待校正点B(x

这样，依据上述方法将扩散的衍射点集合，如果有多个衍射点的坐标为：光斑W选取多个衍射点的坐标为：A(x

下面非线性光学晶体LiB3O5为例：详细描述该校正方法，测试出衍射点，按上述方法校正和不校正两种情况下精修出来的电子密度：本实施例提供一组8*4的数据，验算校正过程，衍射点为一系列相邻的非零强度像素点的集合，一个衍射点的总强度为这些相邻像素点强度之和。

校正前，选取参数指标K(h,k,l)取(5,0,3)的衍射斑点的像素的强度分布表1为：

表1：光学晶体LiB3O5坐标系K为(5,0,3)的衍射斑点的像素的强度分表

其中，左边第一列为斑点X轴对应的位置，表1的第一行为斑点y轴的对应位置，其余为斑点X轴、斑点y轴对应的衍射光强度，如位置点(1,1)对应的强度为3，位置点(3,2)对应的强度为34。

表2：光学晶体LiB3O5坐标系k(5,0,3)的衍射斑点校正后的强度分布表

对比表1和表2

校正前位置(1,1)和(2，1)都移到了校正后的(1＇,1＇)

校正前位置(1,2)和(2，2)都移到了校正后的(1＇,2＇)

校正前位置(1,3)和(2，3)都移到了校正后的(1＇,3＇)

校正前位置(1,4)和(2，4)都移到了校正后的(1＇,4＇)

校正前位置(3,1)和(4，1)都移到了校正后的(2＇,1＇)

校正前位置(3,2)和(4，2)都移到了校正后的(2＇,2＇)

校正前位置(3,3)和(4，3)都移到了校正后的(2＇,3＇)

校正前位置(3,4)和(4，4)都移到了校正后的(2＇,4＇)

校正前位置(5,1)和(6，1)都移到了校正后的(3＇,1＇)

校正前位置(5,2)和(6，2)都移到了校正后的(3＇,2＇)

校正前位置(5,3)和(6，3)都移到了校正后的(3＇,3＇)

校正前位置(5,4)和(6，4)都移到了校正后的(3＇,4＇)

校正前位置(7,1)和(8，1)都移到了校正后的(4＇,1＇)

校正前位置(7,2)和(8，2)都移到了校正后的(4＇,2＇)

校正前位置(7,3)和(8，3)都移到了校正后的(4＇,3＇)

校正前位置(7,4)和(8，4)都移到了校正后的(4＇,4＇)

校正前的两个位置校正后移动同一个位置，该位置的强度为校正前相应位置的强度之和。

校正前，对表1中的强度相加得到：I

计算出：I

校正后，对表2中位置参数为K(5,0,3)的衍射斑点的像素的强度为

I

根据

根据I

计算出I

按上面的步骤对表1中所有位置的光斑进行强度校正；之后进行精修。

电子结构精修对原始测试的强度数据质量要求非常高，千分之几的误差就会对精修出来的结果造成显著影响，因此需要对每个K(h,k,l)的强度进行校正，图6显示的是一个K(h,k,l)衍射斑点校正前和校正后的强度分布示意图。I

表3为LiB3O5晶体光斑的校正前和校正后，原子的电荷对比表

上面表3中，不难看出，校正后的原子的电荷和校正前的电荷接近，但更接近第一性计算理论值，本发明的校正方法切实可行。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。