автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы и программы для экспресс-анализа данных нейтронного рассеяния

Список рисунков

Введение

Глава 1. Постановка задачи и подходы к ее решению.

Об актуальности задачи.

Общее состояние программ для просмотра и экспресс-анализа данных в нейтронных центрах.

О величинах, измеряемых на нейтронных спектрометрах при исследованиях в физике конденсированного состояния.

Об аппаратных функциях нейтронных спектрометров

О традиционных методах анализа экспериментальных данных.

О работах с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье.

О методе регуляризации для вычисления решений уравнения типа свертки.

О необходимых компонентах программ визуального экспресс-анализа.

Глава 2. Программные средства для визуального анализа экспериментальных данных на базе пакета PV- WA VE Point & Click.

О пакетах PV-WAVE Point&Click и PV-WAVE Advantage

Импортирование экспериментальных данных

Пользовательский интерфейс и визуализация данных

Первичная обработка данных

Переход к физическим координатам

Пересчет спектров в новой координатной сетке (Rebinning)

Доступ пользователей локальной сети ЛНФ к разработанным программам.

Ограничения пакета Point & Click.

Основные результаты главы 2.

Глава 3. Методы и программы для визуализации многомерных данных и специальные приложения.

Задачи по визуализации трехмерных данных.

Методы визуализации трехмерных данных.

Программа просмотра dn2viewer

Проблемы визуализации многомерных данных в физических координатах.

Методы и программы для многомерного ребиннинга.

Визуализация текущего состояния мощности реактора ИБР-2 и состояния шиберов пучков.

Основные результаты главы 3.

Глава 4. Программа OpenG2 для визуального экспресс-анализа экспериментальных данных.

О первоначальной постановке задачи.

Подход и основные идеи.

Технология VDA Tools

Основное меню OpenG

Что такое workspaces.

WzWorkspace YDA Tool

WzWPlot VDA Tool

Фитирование с WzWPlot

Методы нелинейного фитирования.

Алгоритмы фитирования в WzWorkspace и WzWPlot

Использование программы OpenG

Основные результаты главы 4.

Глава 5. Решение уравнения свертки методом регуляризации.

Описание метода решения уравнения свертки с применением алоритмов регуляризации и быстрого преобразования Фурье.

Вычислительные ошибки при вычислении Фурье-коэффициентов.

Расчетные программы и модели

Результаты численного моделирования.

Уточнение регуляризованных решений.

Основные результаты главы 5.

Настоящая диссертация посвящена вопросам создания программного обеспечения и математических методов для визуального экспресс-анализа экспериментальных данных нейтронного рассеяния. В работе обсуждаются методы и алгоритмы для решения набора типичных задач по обработке экспериментальных данных, способы визуализации данных и дано описание программных средств на базе пакета РУ-\УАУЕ, реализующих указанные методы.

Актуальность настоящей работы обусловлена приоритетностью исследований в физике конденсированного состояния методами нейтронного рассеяния как направления развития науки в последние годы. Каждый нейтронный центр, привлекающий внешних пользователей к работе на своих экспериментальных установках, заинтересован в предоставлении им также удобных программных средств для визуального экспресс-анализа полученных экспериментальных данных, позволяющих повысить эффективность использования пучкового времени. Подробнее вопрос об актуальности работы рассмотрен в первом параграфе главы 1.

В диссертации рассматриваются вопросы создания программ предварительной обработки, визуализации и экспресс-анализа нейтронных спектров, измеренных на реакторе ИБР-2 в Дубне и реакторе ВЕЯ-П в Берлине. Одной из существенных характеристик программ является удобный графический интерфейс пользователя. Программа экспресс-анализа позволяет применять традиционный способ анализа данных - фитирование выбранных участков спектра некоторыми известными функциями. Кроме того, предложен и проанализирован алгоритм по восстановлению функции рассеяния образца из экспериментальных данных при известной аппаратной функции инструмента с использованием метода регуляризации по Тихонову и последующим уточнением. Получены некоторые полезные заключения о машинных вычислениях с применением быстрого преобразования Фурье. Рассмотрены вопросы, связанные с визуализацией многомерных данных, даны описания методов и программ, реализующих эти методы в трехмерном случае. Дано описание специализированного приложения для визуализации состояния нейтронного реактора в системе World Wide Web.

Новизна работы обусловлена тем, что все разработанные программы на базе указанного пакета созданы впервые и при этом предложены и реализованы некоторые математические методы. Удобный графический интерфейс пользователя имеет также большое значение в плане создания средств визуального экспресс-анализа экспериментальных данных.

Работа выполнена в Лаборатории нейтронной физики им. И.М.Франка ОИЯИ и частично в рамках сотрудничества с институтом Хана-Майтнер в Берлине.

Диссертация состоит из оглавления, списка рисунков, пяти глав, списка литературы и заключения, всего 131 страница.

В первой главе приведен обзор литературы, обсуждена постановка основной задачи и подходы к её решению. В ней сформулированы основные требования к программным средствам для визуального экспресс-анализа данных нейтронного рассеяния и рассмотрены основные методы анализа данных нейтронного рассеяния и состояние соответствующих программ в ряде нейтронных центров. Показано, как связаны между собой сырые экспериментальные данные и сечение рассеяния нейтронов, рассмотрены основные типы нейтронных экспериментов в физике конденсированного состояния и подробно рассмотрены методы решения уравнения типа свертки.

Вторая глава посвящена описанию программных средств, разработанных автором диссертации, для визуальной экспресс-обработки нейтронных время-пролетных спектров, полученных в экспериментах на реакторе ИБР-2 на базе пакета PV-WAVE Point & Click 2.20. Разработанные автором программные средства, доступные всем пользователям локальной сети ЛНФ с середины 1996 года, включают в себя библиотеку процедур для чтения данных с 15 спектрометров, для типичных манипуляций со спектрами при автоматическом пересчете статистических ошибок, для пересчета независимых координат и для пересчета спектров в новые координатные сетки (одномерный ребиннинг). Вызовы процедур производятся с помощью оконных диалогов - элементов графического пользовательского интерфейса, что облегчает работу неискушенного пользователя. Визуализация одномерных и двумерных данных осуществляется стандартными средствами пакета. В главе описаны ограничения пакета PV-WAVE Point & Click и причины, вызывающие необходимость разработки программ на базе полной версии пакета PV-WAVE - пакета PV-WAVE Advantage.

Третья глава посвящена рассмотрению методов и программ для визуализации многомерных данных, методов и программ для расчета многомерного ребиннинга гистограмм и результатов их тестирования в двумерном случае, и описанию специального приложения пакета PV-WAVE для визуализации состояния мощности и пучков нейтронного реактора ИБР-2 в системе World Wide Web.

Четвертая глава посвящена описанию разработанной автором диссертации программы OpenG2 для визуального экспресс-анализа нейтронных данных на базе пакета PV-WAVE Advantage 6.10. Работа выполнялась при сотрудничестве с институтом Хана-Майтнера в Берлине. Первоначальной целью проекта было воспроизвести и расширить функциональные возможности программы G2, используемой с 1992 года в этом институте, дополнив их современным графическим интерфейсом пользователя. Однако в процессе работы при тесном контакте с пользователями непрерывно уточнялись требуемые функции и удобства. В результате текущая версия программы заметно отличается от возможностей G2 как пользовательским интерфейсом, так и расширенными возможностями интерактивного фитирования данных. Программа позволяет работать с данными, полученными в экспериментах на реакторах BER-П в Берлине и ИБР-2 в Дубне и доступна пользователям соответствующих локальных сетей. При разработке программы автором были предложены и реализованы подходы с использованием workspace-oB для работы с экспериментальными данными и с разделением функций чтения и анализа данных между независимыми программными компонентами, что открывает возможность использования средств визуального анализа независимо от формата исходных данных.

Пятая глава посвящена описанию методов и программ для численного решения уравнений типа свертки на основе метода регуляризации по Тихонову. Дано описание численного метода с применением алгоритмов быстрого преобразования Фурье и получены некоторые заключения о машинных вычислениях фурье-коэффициентов. Дано описание программ на языке РУ-\VAVE для реализации численного метода и критериев выбора параметров регуляризации для типичных задач нейтронного рассеяния. Приведены графики с результатами численных расчетов, демонстрирующие качество полученных решений. Приведено краткое описание метода повышения точности регуляризованных решений на основе метода экстраполяции Ричардсона и проиллюстрированы результаты его применения.

В заключении сформулированы основные результаты работы диссертации.

Результаты, составившие содержание диссертации, обсуждались на научных семинарах научно-исследовательского отдела электроники, компьютеров и сетей и научно-экспериментального отдела комплекса спектрометров ИБР-2 Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ. Доложены автором на международных совещаниях по новым методам вычислений в физике АШЕЫР'96 (Лозанна, Швейцария, 1996), по системам сбора данных для нейтронных спектрометров БАИЕР'97 (Дубна, 1997), по методам визуализации данных УК(Ж8'97 (Абингдон, Англия, 1997), по программному обеспечению для пользователей нейтронных и синхротронных центров 1ЧОВ1Ю8'97 (Аргонн, США, 1997).

Основные результаты настоящей работы изложены в 6 публикациях -[1,2,4,5,6,7]

Основные результаты настоящей диссертации:

1. Впервые созданы программные средства на базе пакета PV-WAVE для визуального экспресс-анализа экспериментальных данных нейтронного рассеяния, полученных на реакторах ИБР-2 и BER-П в Берлине, которые обеспечивают высокий уровень пользовательского интерфейса и удовлетворяют требованиям, предъявляемым к программному обеспечению нейтронных центров.

2. Предложен вариант общего формата данных, содержащий минимально необходимый для проведения первичной обработки набор параметров, и библиотеки процедур для чтения и обработки различающихся по структуре экспериментальных данных с различных установок.

3. Созданная автором программа OpenG2 для визуального экспресс-анализа данных позволяет проводить интерактивное фитирование с помощью графика и мыши до 15 перекрывающихся или разделенных пиков различной формы.

4. Новые технологии (workspaces, VDA Tools, независимые функциональные компоненты), использованные автором при разработке программы OpenG2, позволяют неограниченно наращивать ее возможности.

5. Разработанные независимые от формата исходных данных программные компоненты для визуального анализа workspace-oB могут быть использованы для манипуляций и интерактивного фитирования данных произвольной природы.

6. Предложен и реализован новый метод расчета одномерного ребиннинга гистограмм с автоматическим пересчетом статистических ошибок.

7. Разработано программное приложение по визуализации трехмерных данных.

8. Предложен и реализован алгоритм расчета многомерного ребиннинга гистограмм для ячеек произвольной формы. Сравнение результатов использования предложенного алгоритма и ранее известного алгоритма Велтца, применимого только для двумерного случая, дает весьма близкие результаты в случае размерности, равной 2.

9. Подготовлены алгоритмы и созданы программы на языке PV-WAVE для вычисления решений уравнений типа свертки, возникающих при анализе данных по рассеянию нейтронов, методом регуляризации по Тихонову с последующим уточнением. Проведены численные расчеты и получены результаты для типичных задач анализа данных нейтронного рассеяния.

10. Создано специализированное приложение пакета для представления состояния мощности реактора ИБР-2 в системе WWW, активно использующееся с конца 1996 года.

Настоящая работа выполнялась в Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований в период с 1996 по 1999 год и частично в институте Хана-Майтнер в Берлине в 1998 году.

В обсуждениях программных средств на базе пакета PV-WAVE Point & Click приняли участие сотрудники ЛНФ ОИЯИ А.И.Островной, В.Б.Злоказов, за что автор выражает им искреннюю благодарность. Автор также глубоко признателен Ю.А.Астахову за помощь в работе в качестве системного администратора локальной сети ЛНФ, В.И.Приходько и А.И.Кирилову за доброжелательный интерес и поддержку, Г.А.Сухомлинову за регулярную

Заключение

1.. E.1.Litvinenko, "PV-WAVE Based Tools for Visual Analysis of Neutron Scattering Data in FLNP Proceeding of the Intern. Workshop DANEF' 97, Dubna 1997, E10-97-272, pp. 248-258

2. E.I.Litvinenko, "Interactive Data Analysis for Neutron Spectrometers Data Based on Visual Numerics' PV WAVE Software Package ", Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A 389 (1997), 93-94

3. В.П.Акопян, Е.П.Жидков, Нгуен Монг, А.В.Федоров, "Асимптотическое разложение регуляризованных решений линейных некорректных задач", Сообщения ОИЯИ, Р5-81-793, Дубна 1981

4. E.I. Litvinenko, "Current state and prospects of PV-WAVE based applications", Proc. of the Intern. Workshop NOBUGS'97, Argonne, USA, Dec. 1997,http ://w w w. aps. anl. gov/xfd/bcda/nobugs/proceed/l itvinpv .html

5. Е.И.Литвиненко, Ю.В.Обухов, "Программа восстановления магнитного момента образца при измерениях на СКВИД магнетометре",Сообщения ОИЯИ, Р10-94-44, Дубна 1994

6. Е.П. Жидков, Е.И. Литвиненко, "О некоторых методах анализа данных нейтронного рассеяния", Препринт ОИЯИ Р10-98-376, Дубна 1998; E.P.Zhidkov, E.I.Litvinenko, "Some methods of neutron scattering data analysis", Computer Physics Communications, in press

7. Yu.A.Astakhov, E.I.Litvinenko, Yu.N.Pepelyshev, A.I.Tulaev, "Distributed Information System for Neutron Reactor Status Presentation on the Web", Proceeding of the Intern. Workshop DANEF'97, Dubna 1997, E10-97-272, pp. 259-264

8. Марчук Г.И., Шайдуров В.В., "Повышение точности решений разностных схем", Москва "Наука", 1979

9. Richardson L.F., "The deferred approach to the limit. 1: Single lattice.", Philos. Trans. Roy. Soc., London, ser. A, 226, 1927, 299-349

10. U.P.Wild, A.R.Holzwarth, H.P.Good, "Measurement and analysis of fluorescence decay curves", Rev.Sci.Instrum. 48(12), 1977, pp.1621-1627

11. PGPLOT Graphics Subroutine Library:http://astro. caltech. edu/~tgp/pgplot/

12. Cooley, J. W. and Tukey, J. W., 1965, "An algorithm for the machine calculation of complex Fourier series", Mathematics of Computation, 19, 90, pp. 297-301

13. А.Н.Тихонов, В.Я. Арсенин, "Методы решения некорректных задач", Москва, "Наука" 1974

14. R.Scherm, "Methods for Condensed Matter Studies with Neutrons", VII International School on Neutron Physics, Lectures, Vol.1, Dubna 1995, pp. 227-242

15. D.S.Sivia, C.J.Carlile, "Molecular spectroscopy and Bayesian spectral analysis how many lines are there?", J.Chem.Phys. 96(1), 1992, pp.170-178

16. D.S.Sivia, "From Bayes to tunneling spectroscopy", Physica B 202 (1994), pp.332338

17. W.S.Howells, "The use of Fourier transforms in the analysis of QENS data", Physica B 226(1996) pp.78-81

18. J.S.Higgins, G.Allen, R.E.Ghosh, W.S.Howells, B.Farnoux, Chem.Phys.Lett. 491977) 197

19. V.Arrighi, J.S.Higgins, A.N.Burgess, W.S.Howells, Macromolecules 28 (1995) 274521."Rescal for Matlab: a computational package for calculating neutron TAS resolution functions": http://phonon.ssd.ornl.gov/~alan/matlab/rescal/rescal.htm

20. M.J. Cooper and R. Nathans, Acta Cryst. A29, 160-169

21. M. Popovici, Acta Cryst. A31, 507 (1975)

22. S.W.Lovesey, "Theory of neutron scattering from condensed matter", Clarendon Press, Oxford, 1984

23. G.J.Kearley, "Modern Chemistry with Neutron Scattering", VII International School on Neutron Physics, Lectures, Vol.1, Dubna 1995, pp. 333-339

24. M.J. Cooper and R. Nathans, Acta Cryst. 23, 357 (1967)

25. D. A. Langs (1996). J. Appl. Cryst. 29, 481-48328. http://www.dl.ac.uk/CCP/CCP4/main.html29. http://www.esc.cam.ac.uk/teaching/paper/tpaper.html30. http://www.rose.brandeis.edu/users/detector/deconvolute/convol.html

26. J.D.Bregman, F.F.M. de Mul, "Intermediate scattering functions obtained by fast Fourier transformation of cold neutron time-of-flight spectra", Nucl. Instr. & Meth., 93 (1971), pp. 109-118

27. V.Arrighi, J.S.Higgins, "Side group rotations in amorphous polymers", Physica B 226 (1996), pp. 1-9

28. NOBUGS'96: http://193.49.43.2/computing/nobugs/nobugstop.html

29. NOBUGS'97: http://www.aps.anl.gov/xfd/bcda/nobugs/

30. DANEF'97: http://nfdfn.jinr.ru/DANEF-97/

31. VISONS'97: http://www.isis.rl.ac.uk/conferences/visons97.htm

32. EPICS: http://www.aps.anl.gov/asd/controls/epics/EpicsDocumentation/WWWPages/

33. TACO: http://www.esrf.fr/computing/cs/taco/taco.html

34. NeXuS: http://www.neutron.anl.gov/NeXus/

35. IDL: http://www.rsinc.com/idl/index.html

36. LAMP: http://www.ill.fr/datatreat/lamp/front.html42. VNI: http://www.vni.com

37. Open GENIE: http://www.isis.rl.ac.uk/OpenGENIE

38. P. Bevington, "Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences", McGraw-Hill, New York, 1969,.pages 237-239

39. M.Koennecke, Internal documentation for multidimensional rebinning, RAL, ISIS, Chilton,UK : ftp://ftp.nd.rl.ac.uk/pub/mdlib/

40. M.Weltz /'Transformations to the reciprocal lattice", HMI Internal documentation, 1992

41. M.Koennecke, P.Klosowski, J.Tishler,A Proposal for a Common Data Exchange Format for Neutron Scattering Instruments and X-Ray Instruments, Proceedings of the Intern. Workshop DANEF'97, Dubna 1997, E10-97-272, pp. 272-279

42. В.Б.Злоказов, "Математические методы и программное обеспечение для компьютерного анализа спектроподобных распределений", Диссертация д-ра ф.-н., Дубна, 1998

43. R.Pynn, Neutron Spin-echo and three-axis spectrometers", J.Phys.E: Sci. Instrum., Vol. 11, 1978, Printed in GB

44. J.More, B. Garbow, K. Hillstrom, "User Guide for MINPACK-1", Argonne National Laboratory Report ANL 80-74, Argonne 1980, Dlinois

45. K.Levenberg, "A method for the solution of certain problems in least squares", Quarterly of Applied Mathematics, 2, 1944, 164-168

46. D. Marquardt, "An algorithm for least-squares estimation of nonlinear parameters", SLAM Journal on Applied Mathematics, 11, 1963, 431-44155. http://einstein.ma.rhbnc.ac.uk/packages/gnuplot/doc/gnuplot.html

47. U.Tiede, et.al, "Investigation of medical 3D-rendering algorithms", IEEE Comput. Graphics Appl. 1990, vol. 10, 2, 41-53

48. С.Р.Аврамов, Е.С.Сосновская, В.М.Цупко-Ситников, "Система программ SIMP для обработки у-спектров", Сообщение ОИЯИ, Р13-9741, Дубна 1976

49. В.М.Цупко-Ситников, "Разработка аппаратуры и методов автоматизации измерений и обработки информации в ядерной спектроскопии", Автореферат диссертации на соискание уч.степ. доктора технических наук, ОИЯИ 13-81-846, Дубна 1981

50. IMSL Numerical Libraries: http://www.vni.com/products/imsl/

51. В.Л.Аксенов, A.M.Балагуров, Успехи физических наук, 1996, 166, N9, 955-985

52. C.G.Broyden, "Quasi-Newton methods and their application to function minimization", Math. Comput., 1967, 21, 368

53. W.C.Davidon, "Variance algorithm for minimization", Comput. J., 1968, 10, 317

54. R.Fletcher, "A new approach to variable metric algorithms", Comput. J., 1970,13, 317