DLTPulseGenerator更新v1.2：模拟寿命谱的实验仪器响应改进

·SoftwareX 7（2018）259软件更新DLTPulseGenerator更新（v1.2）：基于探测器输出脉冲模拟寿命谱的库Danny Petschke*，Torsten E.M.Staab维尔茨堡大学化学系，LCTM Roentgenring 11，D-97070 Wuerzburg，Germanyar t i cl e i nf o文章历史记录：2018年6月15日收到2018年6月22日收到修订版，2018年6月22日a b st ra ct在DLTPulseGenerator库（v1.1）的最后一次更新中，我们实现了分布式比寿命的模拟，由于孔径分布，可以在多孔材料中找到正电子（PALS）的寿命。但是，在此更新v1.2中，对DLT PulseGenerator库进行了修改，以允许模拟寿命谱由非高斯分布和线性组合的仪器响应函数（IRF）组成，因为寿命谱的高斯形仪器响应设置更多 可能代表近似值，因为它反映了实验获得的结果。最后，这提供了一个改进的建模实验仪器的响应，并最终导致更现实的模拟寿命谱。版权所有©2018作者.由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本v1.2此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-17-00077法律代码许可证BSD-3-clause使用github的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用C/C++和Python。编译要求，操作环境依赖性操作系统：Microsoft Windows编译要求（仅适用于DLTPulseGenerator.h/.cpp）：应与任何C++编译器一起使用（必须提供C++11标准）-示例C++项目的依赖关系- AppDLTPulseGenerator：Microsoft Visual Studio 2015Python中C++包装器的依赖关系-pyDLTPulseGenerator.py：ctypes-librarypython中的示例项目的依赖关系-pyDLTPulseGeneratorApp.py：matplotlib，NumPy推荐的验证软件：DDRS4PALS软件v1.04实现了DLT脉冲发生器库（v1.2）。一个简单的xml文件作为输入：https://github.com/dpscience/DDRS4PALS（按照GitHub上的说明（wiki）开始模拟）如果有开发人员文档/手册的链接，可以在github上找到readme.md文件：https://github.com/dpscience/DLTPulseGenerator/blob/master/README.md问题支持电子邮件danny. uni-wuerzburg.de1. 导言及意义原文DOI：http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2018.04.002。*通讯作者。电子邮件地址：danny. uni-wuerzburg.de（D. Petschke），torsten.uni-wuerzburg.de（T.E.M. Staab）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.06.003在DLTPulseGeneratorv1.0 [1]和v1.1 [2]中，使用光检测系统A和B的高斯分布函数模拟了由于设置组件（即仪器响应）的影响而导致的理想寿命（dt理想2352-7110/©2018作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx≡附加或自定义分布函数，其中两个参数-≤≤1（µ，σ）σ√2π2σ2260D. Petschke，T.E.M.Staab/SoftwareX 7（2018）259表1结 构 DLT 设 置 的 修 改 ： DLT PulseGenerator v1.0 [1] 和 v1.1 [2] 中 的 变 量PDSUncertaintyA、PDSUncertaintyB和MUUncertainty 被结构irfA、irfB（结构类型DLTIRF_PDS）和irfMU（结构类型DLTIRF_MU）替换，以完成非高斯分布和线性组合IRF的模拟结构DLTSetupDLT脉冲发生器v1.0/1.1DLT脉冲发生器v1.2PDSUncertaintyA（double）irfA（struct type DLTIRF_PDS）PDSUncertaintyB（double）irfB（struct type DLTIRF_PDS）MU不确定性（double）irfMU（struct typeDLTIRF_MU）(PDS- A/B）和测量单位（MU）。 由于得到的仪器响应函数（IRF）主要由显著偏离高斯形状的贡献组成，因此这种近似很难反映寿命谱方法（例如荧光寿命谱（FLS）和正电子湮没寿命谱（PALS））中的实验结果。然而，这种效应在其他研究领域的光谱方法中是众所周知的，例如X射线或中子粉末衍射，其中峰形通常由伪Voigt轮廓（Voigt轮廓近似）描述。这用于纯高斯分布函数和洛伦兹/柯西分布函数都不能得到适当拟合的情况[3在PALS中，通常使用高斯近似，因为高斯与指数分布函数的卷积存在解析解，正如Kirkegaard和Eldrup在1972年首次证明的那样[6]。因此，可以应用最小二乘拟合来检索比寿命及其对应的寿命谱强度[6为了研究使用非高斯分布和线性组合的仪器响应函数对光谱分析的影响，应用了结构DLT设置的修改2. 软件体系结构变更-结构DLT设置通过将变量DLTSetup：：PDSUncertaintyA、DLTSetup：：PDSUncertaintyB和DLTSetup：：MUUncertainty替换为表1中列出的新结构DLTIRF_PDS和DLTIRF_MU，完成光电检测系统（PDS）和测量单元（MU）的非高斯分布和线性组合仪器响应函数（IRF）的模拟。结 构 类 型 为 DLTIRF_PDS （ DLTIRF_MU ） 的 每 个 结 构irfA/irfB（irfMU）由一组max.五个加权（Ii）分布函数fi代表PDSA/B（MU）的最终IRF（图 1）、表2IRF：伪Voigt配置文件：模拟输入列表（左列，变量结构类型DLTIRF）和结果模型 拟 合 输 出 （ 右 列 ） 。 基 于 伪 Voigt 的 IRF 使 用 高 斯 （ Eq. （ 1 ） ） 和Lorentzian/Cauchy（Eq. （2）分布函数。伪Voigt IRF1（模拟输入）IRF1（模型拟合输出）functionType：：Function：：GAUSSIAN不确定度：σ[ps] 85.0 87.08± 2.10强度0.8 0.755± 0.080IRF2（模拟输入）IRF2（模型拟合输出）函数类型：：函数：：LORENTZIAN_PROTECHY不确定度：s [ps] 85.0 64.91± 3.46强度0.2 0.245± 0.053表3左栏：用于寿命谱模拟的模拟比寿命及其强度，如图2a所示。右列：通过使用DLTReconvolution软件[14]应用卷积方法检索输出。卷积拟合的结果表明，一个很好的协议。模拟（输入）再卷积拟合（输出）τ1[ps] 260.0 260.7± 0.6I1 0.4 0.406± 0.016τ2[ps] 1500.0 1499.9± 1.3I2 0.6 0.594± 0.012II. 柯西/洛伦兹分布1（DLT分布函数：：函数：：LORENTZIAN_LORENCHY）III. 对数正态分布1（DLTDistributionFunction：：Function：：FUNCTURE_NORMAL）。峰值位置指示参数1由变量relativeShift（以纳秒为单位）指定，而分布函数的归一化/缩放参数1由5 5由变量不确定性（以纳秒为单位）。变量参数IRF（t）= ∑I i f i（t），其 中∑I i <$1。（1） 保留用于将来的目的，并可作为参数，i=1i=1用于对分布函数（fi）建模的变量为在结构类型DLTIRF的结构irfXPDS（irfXMU）中定义，其中X与索引i相关。• 结构DLTIRFirfA/irfB和irfMU的线性组合分布函数的数量通过设置变量enable（type：bool）来控制。所考虑的权重（Ii，Eq.（1））由可变强度（0Ii 1）定义，其中所有启用强度的总和必须等于1。将使能设置为假导致零加权分量（Ii0，等式2）。（1）），并且等效 于 将 相 应 的 结 构 irfXPDS （ irfXMU ） 设 置 为 值IGNORE_DLTIRF。此 外 ， 还 提 供 了 三 种 类 型 的 分 布 函 数 （ enum DLT-DistributionFunction ： ： Function ） （ variablefunction-Type）：I. 高斯分布1（DLT DistributionFunction：：Function：：GAUSSIAN）1所有公式和参数定义在[2]中描述。对象不足以定义（请参见：结构DLTSimulationInput [2]）。通过仅启用每个结构irfA、irfB和irfMU的一个组件irfXPDS（irfXMU），并且将functionType设置为DLTDistributionFunction：：Function：：GAUSSIAN，功能性等同于DLTPulseGeneratorv1.0 [1]和v1.1 [2]的功能性。3. 示例-验证有效性和功能性为了验证这一新特性的有效性和功能性，使用了由两个特定寿命组成的寿命谱（见图1）。 2a和表3）已经通过使用伪Voigt轮廓进行了模拟V p（t |η，σ，s）=η G（t |σ）+（1 −η）L（t |s），0 ≤η≤ 1（2）作为线性组合IRF的示例，由高斯（DLTDistributionFunction：：Function：：GAUSSIAN）IRF ：G t|= 0=1exp{−t2}（3）=-（）]。2D. Petschke，T.E.M. Staab / SoftwareX 7（2018）259-262261Fig. 1. PDS A/B和MU产生的影响的示意图。每个IRF（结构类型DLTIRF_PDS和DLTIRF_MU）可以通过五个分布函数的线性组合来描述，（一）.提供了三种类型的分布函数：高斯，洛伦兹/柯西和对数正态。该图改编自[1]中的图2。图二. 左图：模拟光谱（红点）由两个离散的比寿命τ10.260 ns（30%），τ21.5 ns（70%）（表3），并通过代表伪Voigt方程的双分量IRF卷积。（1）概况（表2）。该光谱是基于所获得的500万个计数的统计数据。蓝线表示得到的卷积拟合。右：测得的瞬发光谱（零寿命光谱），即IRF（红点）和所得的伪Voigt模型拟合（蓝线）。模型拟合函数用于卷积拟合。和Lorentzian/Cauchy（DLT DistributionFunction：：Function：：Lorentzian_Cauchy）分布函数1参数η表示两种贡献之间的关系，并与可变强度相关，如表2所示。为了简单起见，将所得IRF简化为通过以下方式生成：IRF 2：L（t|a=0，s）=πs[1+（四）不S仅PDS A的IRF。因此，PDS B和MU的IRF被禁用，此处不予考虑。·262D. Petschke，T.E.M.Staab/SoftwareX 7（2018）259使用DDRS4PALS软件v1.04 [13]完成模拟，该软件实现了DLTPulseGenerator库的更新版本。此外，该软件提供同时记录瞬发光谱（零寿命光谱），即所得IRF，如图所示。 2 b.非高斯型IRF的数据分析--重构法由于Lorentzian/Cauchy分布和指数分布函数的卷积不存在解析解（在实空间中），1常用的最小二乘拟合方法[6]无法检索伪Voigt分布方程的真实比寿命和参数（二）、然而，应用基于python的软件DLT Reconvolution[14]来提取特定的寿命和伪Voigt参数，如表2和3所列。DLT Reconvolution使用迭代最小二乘卷积方法分析寿命谱[15]。该方法通过将测量（或拟合）的瞬发光谱（图2b）与两个指数分布函数之和1进行再卷积，确定记录光谱的最佳拟合（图2a），因为两个特定寿命用作模拟输入（表3）。卷积拟合的结果与模拟输入吻合得很好对于Lorentzian/Cauchy拟合参数s，出现相当大的偏差，这源于拟合算法的性质，并且可以解释如下：伪Voigt分布的中心部分由高斯贡献主导，因为比率σ/s等于1。此外，高斯贡献（80%）显著占主导地位的四个因素后，洛伦兹/柯西贡献（20%）。这使得参数s和σ很难相互区分卷积方法对于非高斯分布的IRF是有利的对于实验室中的PALS装置，这可以通过测量60-Co来实现，60-Co发射两种能量为1.17和1.33 MeV的伽马射线致谢本出版物由德国研究基金会（DFG）和德国维尔茨堡大学的开放获取出版资助计划资助。引用[1] Petschke D，Staab TEM.DLTPulseGenerator：一个基于探测器输出脉冲的寿命谱模拟库SoftwareX2018;7：122-8.http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2018.04.002网站。[2] Petschke D，Staab TEM.更新（v1.1）到DLTPulseGenerator：用于基于探测 器 输 出 脉 冲 模 拟 寿 命 光 谱 的 库 SoftwareX 2018;7 ： 171-3.http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2018.05.001网站。[3] 大 卫 · 威 夫 。 粉 末 衍 射 峰 形 状 。 将 伪 Voigt 参 数 化 为 Voigt 函 数 。 J ApplCrystallogr 1986;19：63-4. http://dx.doi.org/10.1107/S0021889886089999。[4] 作者：Cheary RW，Coelho A. X射线谱线轮廓拟合的基本参数法。J ApplCrystallogr 1992;25：109-21. http://dx.doi.org/10.1107/S0021889891010804.[5] Sánchez-Bajo F，Campira FL.在X射线谱线增宽分析的方差法中使用伪Voigt函数。JApplCrystallogr1997;30：427-30.http://dx.doi.org/10.1107/S0021889896015464网站。[6] 作 者 ： John M. POSITRONFIT ： 一 个 多 功 能 的 正 电 子 寿 命 谱 分 析 程 序 。Comput Phys Comm 1972;3 ： 240-55. http ： //dx.doi. org/10.1016/0010-4655（72）90070-7。[7] 作者：John M.正电子拟合扩展：位置寿命谱分析程序的新版本。Comput PhysComm 1974;7：401http：//dx.doi.org/10.1016/0010-4655[8] 放大图片Olsen JV，Kirkegaard P，Pedersen NJ，Eldrup M. PALsfit：一个新的 正 电 子 寿 命 谱 计 算 程 序 。 PhysStatus Solidi2007;4 ： 4004-6.http://dx.doi.org/10.1002/pssc.200675868网站。[9] Kansy J.正电子湮没寿命谱分析的微机程序核仪器方法物理研究A 1996;374：235-44. http://dx.doi的网站。org/10.1016/0168-9002（96）00075-7。[10] 佩奇克湾dpscience/DQuickLTFit：DQuickLTFit v3.02（版本3.02）。泽诺多2018年;http://doi.org/10.5281/zenodo.1219482。[11] 作者：J.LT10程序用于解决与缺陷检测有关的基本问题物理程序2012;35：122-7. http://dx.doi.org/10.1www.example.com phpro.2012.06.022网站。[12] Mostgaard M，Kirkegaard P，Olsen JV，Eldrup M. PALSfit 3：一个软件包-分析正电子寿命谱的年龄。丹麦技术大学（DTU），Kgs。林比2017.[13] 佩奇克湾dpscience/DDRS4PALS：DDRS4PALS（Version 1.04）.泽诺多2018年;http://doi.org/10.5281/zenodo.1285836。[14] Petschke Dannydpscience/DLTReconvolution ： DLTReconvolutionv1.0（Ver-sion 1.0）.泽诺多2018年;http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.1255106。[15] 杨文龙，李晓梅，李晓梅.单光子计数实验的数学处理、分析信号的反褶积和反褶积中的数据量化问题。应用于荧光光谱，E.N.S.I.C.-I.N.P.L.，南希，法国。1982;393-409.