Takin：用于实验规划、可视化和数据分析的开源软件

⃝⃝可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectSoftwareX 5（2016）121原始软件出版物www.elsevier.com/locate/softxTakin：用于实验规划、可视化和数据分析的开源软件Tobias Weebera，b，R.A.，Robert Geor giia，b，PeterBo？ niaaPhysik-DepartmentE21，Te chnis c heUnive rsita？tMu？n c hen，James-Fr an c k-St r. 1，85748Garc hingg，GermanybHeinz-Maie r-Leibnitz-Zentrum（MLZ），Te chnis c heUnive rsitat tMun c hen，Li chtenbe r gst r. 1，85747Garc hingg，Germany接收日期：2016年3月4日;接收日期：2016年6月10日;接受日期：2016年6月20日摘要由于其非平凡的分辨率功能，在三轴光谱仪上进行测量需要实验人员格外小心，以获得最佳结果并避免不必要的虚假伪影。我们提出了一个免费和开源的软件系统，其目的是减轻在规划阶段遇到的许多任务，在中子三轴谱仪上进行的实验的执行和数据处理该软件目前正在使用中，并已在MLZ成功测试，但可以配置为与其他三轴仪器和仪器控制系统一起工作c2016作者。由Elsevier B.V.发布。这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by/4. 0/）。关键词：三轴光谱;仪器控制;倒数和实空间可视化;仪器分辨率;分辨率卷积代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00031法律代码许可证GPL版本2使用git的代码版本控制系统使用C++ 11、CMake 3的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境Linux，OS X，Unix like，Windows（通过MinGW）; GCC 4.8（或更高版本）或Clang，Boost，Qt 4或5，Qwt 5或6，Clipper，Minuit 2如果可用，链接到开发人员文档/手册https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-16-00031/blob/master/takin-readme.pdf问题支持电子邮件www.example.comtobias.weber @ tum.de1. 动机和意义布罗克豪斯发明的中子三轴谱仪[1]极大地促进了对固体物质动力学的理解。今天，三轴光谱学是一种标准工具，用于研究不同领域的材料，如磁性，晶格动力学，超导性和临界现象。通讯作者：Ph ysik-Department E21，TechnischeUniversitaütMünchen，James-Franck-Str.1，85748 Garching，Germany.电子邮件地址：www.example.comtobias.weber @ tum.de（T.Weber）。一小部分最近的例子包括铁基超导体中驱动有序的相互作用[2]，手性磁体MnSi中的螺旋能带[3]，以及螺旋能带在锥形-铁磁相变时的行为[4]。尽管三轴谱仪在中子物理学中无处不在，但用户对其非常复杂的分辨率功能了解甚少。了解仪器分辨率对于正确规划测量和数据处理至关重要，因为分辨率效应通常会导致光谱中的伪影（称为“spurions”），无法轻易将其与真正的激发区分开来http://dx.doi.org/10.1016/j.softx.2016.06.0022352-7110/c2016作者。由Elsevier B.V.发布。这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons. org/licenses/by/4. 0/）。122T. Weber等人/SoftwareX 5（2016）121为|||+的||=|=⟨⟩在实践中，分辨率分析导致了孤立的每仪器软件应用程序，这些软件应用程序通常要么使用起来非常复杂，要么过于专业化，要么缺乏所需的功能（例如[5在本文中，我们介绍了免费和开源的软件系统Takin，它能够在一个软件包中执行所有必要的步骤，并且足够通用，可以轻松地适应新的三轴仪器。该软件还具有完全集成的图形用户界面（GUI），因此比以前的命令行工具更容易访问。2. 软件描述Takin是一个包含多个目标的软件系统。其基本功能，即在实空间和倒易空间中的晶格以及仪器配置的快速可视化，与vTAS软件相似[7]。但是，vTAS主要集中在模拟现实的仪器限制，例如仪器空间中的壁，Takin不包括这些特征，而是专注于将晶体学信息和仪器可视化与特别强调的分辨率计算相结合。此外，该软件的另一个重点是数据处理和分辨率反褶积使用蒙特卡罗方法。2.1. 软件功能程序的主窗口分为两个视图：交互视图和真实空间视图。recipro- cal空间包括布拉格反射，允许由空间群给定允许的峰值，计算并显示第一布里渊区。此外，散射三角形在倒易空间中绘制，可以通过鼠标移动或从扫描文件导入（支持的格式包括MLZ，PSI，ILL和NIST使用的格式或者，软件可以通过与三轴控制软件的网络连接接收当前的实时仪器位置。关于网络连接，目前支持两种仪器控制系统：NICOS[8]，MLZ使用的联网仪器控制系统，以及SICS[9]，PSI使用的SINQ仪器控制软件此外，Takin中面向对象的网络架构可以轻松集成更多的三轴控制系统。屏幕的第二部分保留给真实空间视图，显示真实晶格和通过给定的空间群对称运算计算的晶胞及其原子位置在该视图中以投影表示示出。与倒易视图一样，可以自由选择显示的晶面。如果光谱仪-无论是真实的模拟的一个为此，Takin包括一个模块，用于检查Shirane等人给出的最重要的假峰条件[10]第十章6]。这些包括Currat-Axe spurion，在这种配置中，分析器将布拉格散射一个弹性非相干的来自样品的信号随后表现为伪非弹性峰。检查的其他杂散信号包括来自单色器和检偏器的高阶反射以及布拉格尾，布拉格尾出现在横向于晶格矢量G的q方向上，并且由分辨率椭圆相对于垂直于平均Q和E位置的方向此外，还包括用于计算粉末峰值的模块，用于快速评估来自样品环境（例如铝或铜）的虚假粉末散射。请注意，软件中未考虑更多特定的杂散信号整个软件包及其相关库[11]都是用现代C++11 [12]编写的，并广泛使用了Boost[13] C++模板库。图形用户界面基于Qt[14]和Qwt[15]绘图库。包含物理信息的表格，特别是230个空间群类型和散射长度的属性，分别从Clipper[16]库和NIST表格[17]在线获得我们使用ILL表中的磁性形状因子[18]。2.1.1. 决议分辨率计算。基本分辨率计算模块采用C++重新实现[19] 和 Popovici [20] 算 法 从 Rescal [6] 。 此 外 ， Eckold-Sobolev方法的新实现可用于后一种算法对于单色器和分析器聚焦的共同特征的现实处理特别有趣，这增加了中子通量，但也增加了分辨率体积。每种算法计算特定仪器位置处中子波矢Q和能量传递E的协方差矩阵。协方差矩阵的逆是工具分辨率矩阵R-描述四维椭球的二次曲面。椭圆体相对于Q和E轴的角度以及相对于椭圆体轴的宽度使用主轴定理来确定，该主轴定理涉及求解特征向量问题。该软件使用一个专门的，快速实现这种减少本征向量计算涉及对称矩阵。 显示结果（见图1）。 2）使用二维和三维投影-无论是在Q，Q，Qz，E或压裂椭球的位置，H，K， L晶体坐标系。算法的原生C++实现速度足够快，即使在低端硬件上也可以实时更新和显示在多核或多处理器系统上，通过利用Eckold-Sobolev方法中的单色器和分析器分辨率体积的对称处理来获得进一步的分辨率卷积。使用三轴光谱仪的测量不会产生实际的动态结构因子S（Q，ω），而是给出S与分辨率R的卷积。使用外部提供的理论T. Weber等人/SoftwareX 5（2016）121123Fig. 1. Takin主视图。给定样品和仪器参数，软件显示倒易晶格（左）和实晶格（右）。在倒易视图中，示出了布拉格峰的中子结构因子Shkl，并计算了第一布里渊区，考虑到被样品空间群对称性禁止的任何弹性峰。散射三角形可以拖放，并转换为相应的三轴仪器位置（未显示）和分辨率（见图2）。真实空间视图显示了晶格、Wigner-Seitz晶胞和所选晶胞中的原子位置。S（Q，ω）函数，因此可以模拟实验，例如用于规划未来的测量，给定R矩阵。Takin 包 含 卷 积 积 分 的 Monte-Carlo 模 拟 模 块 （ 见 图3）。蒙特卡罗方法包括在四维分辨率椭圆体内生成预定义数量的中子，然后用蒙特卡罗中子的Q和E坐标对S（Q，ω）进行用于模拟激励的S（Q，ω）函数可以作为表格或Python脚本提供[22]或者-在性能至关重要的情况下-作为必须从特殊接口派生的原生C++类。对于列表S（Q，ω）值，表中的值 用于生成四维二叉搜索 树（k-d 树[23]），然后可以非常有效地用于通过Monte-Carlo模拟查询最近的位置。蒙特卡罗模拟本身通过使用所有可用的处理器核心来加速所有模型源，除了Python脚本（后者是由于Python解释器中的线程限制）。分辨率卷积拟合。自由参数可以在不同的理论S（Q，ω）模型中定义。例如，在Python模型中使用用户选择的自由参数执行χ2最小化，以获得分辨率卷积与实验测量的最佳拟合。为了最小化，使用Minuit软件库[24]。由于其复杂性，钳工程序模块目前只能通过命令行界面访问，并采用特殊的作业文件格式作为输入。为了与完全基于GUI的软件设计保持一致，计划在不久的将来推出完全图形化的卷积拟合器3. 说明性示例由于Takin包含许多不同的三轴功能，我们仅限于在这里展示一个特定的功能：使用模拟扫描计划实验，这可以在GUI中完全快速地完成。在卷积对话框中（图3，上图），必须提供一个描述晶体和仪器几何形状的文件，以及一个包含动态结构因子S（Q，ω）的模型文件。晶体和仪器文件是预先在Takin主视图中定义的（图10）。①的人。如前所述，S（Q，ω）模型文件可以是C++类、表或Python脚本。在本例中，我们使用手征磁体MnSi作为样品，MIRA作为仪器，[3]中的helimagnon模型作为理论S（Q，ω）函数。（Q，E）空间中的任意扫描路径可以124T. Weber等人/SoftwareX 5（2016）121=-图二.三轴光谱仪的相应分辨率函数视图。该软件执行仪器分辨率的实时更新和实时显示。支持的算法包括经典的Cooper-Nathans和Popovici方法以及新的Eckold-Sobolev方法的分辨率函数。接下来进行定义和模拟。在这里，我们模拟在Q处的能量扫描，（1. 0430. 9570）RLU使用固定的KI1.一、4A-1。所得曲线图（图3，下图）显示，在MIRA上，在此ki处的扫描是可行的，因为可以针对E<0（定义位置的聚焦方向）分辨出四个单独的螺旋磁带对于散焦测量位置，E>0时，模拟显示谱带不再能够分辨，而是仅一个宽的模糊峰将是可辨别的。在进一步的步骤中，Takin可以用于对实验测量数据的卷积 拟合 。我们 可以 确认使 用聚 焦单色 仪和MnSi中helimagnon带的测量计算的分辨率函数的极好的一致性[4]，如图所示。 四、4. 影响通过Takin，我们希望在实验计划，执行和数据分析的各个方面在规划阶段，它可以用于快速和图形化地评估实验是否可以在给定的仪器上进行：例如，角度在允许的范围内;散射三角形闭合;或者分辨率足够好。在实验过程中，软件显示了仪器在倒易空间中的实时位置，并在此位置绘制了相应的分辨率函数，并对可能出现的干扰进行了警告。实验结束后，Takin可以该 软 件 的 最 新 版 本 目 前 在 MLZ 仪 器 MIRA [25] 和PANDA [26]中定期使用。此外，该软件已成功测试，在磁振子测量期间在SINQ仪器TASP [27]中以第一个全面的应用程序的分辨率拟合能力的扭角羚将在两个即将举行的论文作者。第一个与MnSi [4]的锥形-铁磁相变附近的helimagnon能带结构的演化有关，第二个研究尖晶石钒酸盐MgV2O4 [28]中立方-四方晶系相变的异常声子行为。5. 结论我们提出了一个软件系统，用于执行非弹性中子散射的计算和可视化，T. Weber等人/SoftwareX 5（2016）121125==图3.第三章。上图：对于实验计划，通过选择先前定义的晶体、仪器和理论S（Q，ω）模型，可以快速完成分辨率卷积积分的Monte-Carlo积分下图：显示的是上图中定义的扫描的结果，即在Q（1）处的能量扫描。043 0. 957 0）。该示例图描绘了MIRA仪器函数与MnSi单晶中的helimagnons的4D卷积，其使用Garst提出并实现了G. Brandl [3].在聚焦方向上可以分辨出四个helimagnon带，对于ki const。给定的Q在E0<处在E>0的非聚焦方向上，谱带无法分辨，并显示为一个宽峰。非相干弹性贡献是不可见的。特别强调三轴光谱仪的分辨率功能。对于未来的发展，计划为飞行时间光谱仪提供一般支持。目前，该软件已经包含一个用于分辨率计算的模块，见图4。示例卷积拟合到MnSi中测量的实验数据[4]。在MIRA [25]上测量数据点，使用[3]中给出的模型从Takin卷积拟合器获得线这组数据的动量传递q与图10所示的不同。3.第三章。使用Violini方法进行卷积[29]。此外，卷积拟合器将配备先进的脚本功能，也包括在主GUI中。确认这项工作得到了德国研究基金会（DFG）和慕尼黑技术大学开放获取出版资助计划的支持。MIRA的工作得到了DFG在GE 971/5-1下的支持。我们要感谢Max Kugler和Georg Brandl对三轴光谱和仪器的许多讨论，并为connv olutione示例提供helimagnonPython 脚 本 。 我 们 还 想 感 谢 PetrCerm`k 、 AstridSchneidewind 和 Bertrand Roessli 的 支 持 ， 并 分 别 提 供PANDA和EIGER分辨率参数。引用[1] 布鲁克豪斯BN。固体和液体中的非弹性中子散射，卷。487. 维也纳：国际原子能机构，1961年。[2] 王强，沈艳，潘斌，等。超导体中条纹自旋涨落、向列性与超导电性 的 相 互 作 用 。 Nat Mater 2016; 15 （ 2 ） ： 159-63.http://dx.doi.org/10.1038/nmat4492网站。[3] Kugler M，Brandl G，Waizner J，Janoschek M，Georgian R，BauerA，et al. 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