src/kernel/ionize.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team,
   6  * check out http://www.gromacs.org for more information.
   7  * Copyright (c) 2012, by the GROMACS development team, led by
   8  * David van der Spoel, Berk Hess, Erik Lindahl, and including many
   9  * others, as listed in the AUTHORS file in the top-level source
  10  * directory and at http://www.gromacs.org.
  11  *
  12  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  13  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  14  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  15  * of the License, or (at your option) any later version.
  16  *
  17  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  18  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  19  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  20  * Lesser General Public License for more details.
  21  *
  22  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  23  * License along with GROMACS; if not, see
  24  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  25  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  26  *
  27  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  28  * consider that scientific software is very special. Version
  29  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  30  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  31  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  32  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  33  * official version at http://www.gromacs.org.
  34  *
  35  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  36  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  37  */
  38 #ifdef HAVE_CONFIG_H
  39 #include <config.h>
  40 #endif
  41
  42 #include <string.h>
  43 #include "smalloc.h"
  44 #include "typedefs.h"
  45 #include "macros.h"
  46 #include "random.h"
  47 #include "gmx_random.h"
  48 #include "physics.h"
  49 #include "xvgr.h"
  50 #include "vec.h"
  51 #include "pbc.h"
  52 #include "txtdump.h"
  53 #include "ionize.h"
  54 #include "names.h"
  55 #include "futil.h"
  56 #include "network.h"
  57 #include "mtop_util.h"
  58 #include "gmxfio.h"
  59
  60 typedef struct {
  61   real photo,coh,incoh,incoh_abs;
  62 } t_cross;
  63
  64 /* THIS TABLE HAS ADDED A 12 keV COLUMN TO HYDROGEN, CARBON,  */
  65 /* OXYGEN, NITROGEN AND SULPHUR BY FITTING A QUADRATIC TO THE */
  66 /* POINTS 8keV, 10keV and 12keV - now contains 6, 8, 10, 12,  */
  67 /* 15 and 20 keV                                              */
  68 /* Units are barn. They are converted to nm^2 by multiplying  */
  69 /* by 1e-10, which is done in Imax (ionize.c)                 */
  70 /* Update: contains energy 2 KeV and B, Na, Li, Al, Mg        */
  71 /* Update: data taken from NIST XCOM                          */
  72
  73 static const t_cross   cross_sec_h[] = {
  74   { 5.21E-01,    3.39E-01,     3.21E-01,        -1 },
  75   { 2.63e-2,     1.01e-1,      5.49e-1,         7.12e-3 },
  76   { 9.79e-3,     6.18e-2,      5.83e-1,         9.60e-3 },
  77   { 4.55e-3,     4.16e-2,      5.99e-1,         1.19e-2 },
  78   { 1.52e-3,     2.79e-2,      6.08e-1,         1.41e-2 },
  79   { 1.12e-3,     1.96e-2,      6.09e-1,         1.73e-2 },
  80   { 4.16e-4,     1.13e-2,      6.07e-1,         2.23e-2 }
  81 };
  82 static const t_cross   cross_sec_c[] = {
  83   { 3.10E+3,     1.42E+1,      1.03E+0,         -1 },
  84   { 1.99e+2,     5.88e+0,      2.29e+0,         3.06e-2 },
  85   { 8.01e+1,     4.22e+0,      2.56e+0,         4.38e-2 },
  86   { 3.92e+1,     3.26e+0,      2.74e+0,         5.72e-2 },
  87   { 2.19e+1,     2.55e+0,      2.88e+0,         7.07e-2 },
  88   { 1.06e+1,     1.97e+0,      3.04e+0,         9.15e-2 },
  89   { 4.15e+0,     1.30e+0,      3.20e+0,         1.24e-1 }
  90 };
  91 static const t_cross   cross_sec_n[] = {
  92   { 5.78E+3,     2.13E+1,      1.11E+0,         -1 },
  93   { 3.91e+2,     8.99e+0,      2.49e+0,         3.43e-2 },
  94   { 1.59e+2,     6.29e+0,      2.86e+0,         5.01e-2 },
  95   { 7.88e+1,     4.76e+0,      3.10e+0,         6.57e-2 },
  96   { 4.42e+1,     3.66e+0,      3.28e+0,         8.13e-2 },
  97   { 2.16e+1,     2.82e+0,      3.46e+0,         1.05e-1 },
  98   { 8.52e+0,     1.88e+0,      3.65e+0,         1.43e-1 }
  99 };
 100 static const t_cross   cross_sec_o[] = {
 101   { 9.74E+3,     3.00E+1,      1.06E+0,         -1 },
 102   { 6.90e+2,     1.33e+1,      2.66e+0,         3.75e-2 },
 103   { 2.84e+2,     9.21e+0,      3.14e+0,         5.62e-2 },
 104   { 1.42e+2,     6.85e+0,      3.44e+0,         7.43e-2 },
 105   { 8.01e+1,     5.18e+0,      3.66e+0,         9.20e-2 },
 106   { 3.95e+1,     3.97e+0,      3.87e+0,         1.18e-1 },
 107   { 1.57e+1,     2.64e+0,      4.10e+0,         1.61e-1 }
 108 };
 109 static const t_cross   cross_sec_s[] = {
 110   { 1.07E+5,      1.15E+2,     2.03E+0,         -1 },
 111   { 1.10e+4,      5.54e+1,     3.98e+0,         5.42e-2 },
 112   { 4.91e+3,      4.29e+1,     4.71e+0,         8.38e-2 },
 113   { 2.58e+3,      3.36e+1,     5.32e+0,         1.16e-1 },
 114   { 1.52e+3,      2.64e+1,     5.81e+0,         1.48e-1 },
 115   { 7.82e+2,      1.97e+1,     6.36e+0,         2.00e-1 },
 116   { 3.29e+2,      1.29e+1,     6.94e+0,         2.80e-1 }
 117 };
 118 static const t_cross   cross_sec_mg[] = {
 119   { 7.79E+4,      7.19E+1,     1.34E+0,         -1 },
 120   { 3.75E+3,      3.75E+1,     3.18E+0,         -1 },
 121   { 1.61E+3,      2.75E+1,     3.91E+0,         -1 },
 122   { 8.25E+2,      2.06E+1,     4.47E+0,         -1 },
 123   { 4.75E+2,      1.61E+1,     4.88E+0,         -1 },
 124   { 2.40E+2,      1.16E+1,     5.32E+0,         -1 },
 125   { 9.82E+1,      7.59E+0,     5.74E+0,         -1 }
 126 };
 127 static const t_cross   cross_sec_al[] = {
 128   { 1.01E+5,      8.24E+1,     1.51E+0,         -1 },
 129   { 5.12E+3,      4.32E+1,     3.45E+0,         -1 },
 130   { 2.22E+3,      3.24E+1,     4.16E+0,         -1 },
 131   { 1.14E+3,      2.47E+1,     4.74E+0,         -1 },
 132   { 6.63E+2,      1.93E+1,     5.19E+0,         -1 },
 133   { 3.37E+2,      1.41E+1,     5.67E+0,         -1 },
 134   { 1.39E+2,      9.17E+0,     6.14E+0,         -1 }
 135 };
 136 static const t_cross   cross_sec_b[] = {
 137   { 2.86E+3,      1.05E+1,     8.20E-1,         -1 },
 138   { 9.38E+1,      3.76E+0,     1.92E+0,         -1 },
 139   { 3.72E+1,      2.81E+0,     2.15E+0,         -1 },
 140   { 1.80E+1,      2.20E+0,     2.31E+0,         -1 },
 141   { 9.92E+0,      1.77E+0,     2.44E+0,         -1 },
 142   { 4.77E+0,      1.32E+0,     2.58E+0,         -1 },
 143   { 1.84E+0,      8.56E-1,     2.71E+0,         -1 }
 144 };
 145 static const t_cross   cross_sec_na[] = {
 146   { 5.80E+4,      6.27E+1,     1.01E+0,         -1 },
 147   { 2.65E+3,      3.17E+1,     2.95E+0,         -1 },
 148   { 1.13E+3,      2.26E+1,     3.67E+0,         -1 },
 149   { 5.74E+2,      1.68E+1,     4.20E+0,         -1 },
 150   { 3.28E+2,      1.30E+1,     4.58E+0,         -1 },
 151   { 1.65E+2,      9.43E+0,     4.96E+0,         -1 },
 152   { 6.71E+1,      6.16E+0,     5.34E+0,         -1 }
 153 };
 154 static const t_cross   cross_sec_li[] = {
 155   { 3.08E+2,      3.37E+0,     6.38E-1,         -1 },
 156   { 8.60E+0,      1.60E+0,     1.18E+0,         -1 },
 157   { 3.31E+0,      1.16E+0,     1.36E+0,         -1 },
 158   { 1.57E+0,      8.63E-1,     1.48E+0,         -1 },
 159   { 8.50E-1,      6.59E-1,     1.57E+0,         -1 },
 160   { 4.01E-1,      4.63E-1,     1.64E+0,         -1 },
 161   { 1.52E-1,      2.85E-1,     1.70E+0,         -1 }
 162 };
 163
 164 typedef struct {
 165   const char *name;
 166   int  nel;
 167   const t_cross *cross;
 168 } t_element;
 169
 170 static const t_element element[] = {
 171   { "H",   1, cross_sec_h },
 172   { "C",   6, cross_sec_c },
 173   { "N",   7, cross_sec_n },
 174   { "O",   8, cross_sec_o },
 175   { "S",  16, cross_sec_s },
 176   { "LI",  3, cross_sec_li },
 177   { "B",   5, cross_sec_b },
 178   { "NA",  11, cross_sec_na },
 179   { "MG",  12, cross_sec_mg },
 180   { "AL",  13, cross_sec_al },
 181   { "AR", 20, cross_sec_s },  /* This is not correct! */
 182   { "EL",  1, cross_sec_h }   /* This is not correct! */
 183 };
 184 #define NELEM asize(element)
 185
 186 /*
 187  * In the first column the binding energy of the K-electrons;
 188  * THIS IS IN eV,  which matches the photon energies.
 189  * In the second column the binding energy of the outer shell electrons
 190  * The third column describes the photoelectric cross sections,
 191  * where this now gives the fraction of photoelectric events
 192  * which correspond to K-shell events, I called f_j in my
 193  * notes:
 194  * The final column (a new column) now gives the values for the lifetimes
 195  * in ps.
 196  */
 197 typedef struct {
 198   real E_K,E_L,Prob_K,tau;
 199 } t_recoil;
 200
 201 const t_recoil recoil[] = {
 202   { 0.0,    0.0,   0.0,   0},
 203   { 0.0136, 0.0,   0.0,   0},
 204   { 0.0246, 0.0,   0.0,   0},
 205   { 0.055,  0.005, 0.960, 0.012},
 206   { 0.117,  0.009, 0.956, 0.012},
 207   { 0.192,  0.008, 0.952, 0.012},
 208   { 0.284,  0.011, 0.950, 0.0113},
 209   { 0.402,  0.015, 0.950, 0.0083},
 210   { 0.532,  0.014, 0.936, 0.0066},
 211   { 0.687,  0.017, 0.928, 0.0045},
 212   { 0.874,  0.031, 0.922, 0.0033},
 213   { 1.072,  0.041, 0.933, 0.0028},
 214   { 1.305,  0.054, 0.927, 0.0022},
 215   { 1.560,  0.077, 0.922, 0.0019},
 216   { 1.839,  0.105, 0.918, 0.00165},
 217   { 2.146,  0.133, 0.921, 0.00145},
 218   { 2.472,  0.166, 0.908, 0.00130},
 219   { 2.822,  0.212, 0.902, 0.0012},
 220   { 3.203,  0.247, 0.902, 0.0010},
 221   { 3.607,  0.298, 0.894, 0.00095},
 222   { 4.038,  0.348, 0.890, 0.00085},
 223   { 4.490,  0.404, 0.886, 0.00078},
 224   { 4.966,  0.458, 0.882, 0.00073},
 225   { 5.465,  0.516, 0.885, 0.00062},
 226   { 5.989,  0.578, 0.883, 0.00055},
 227   { 6.539,  0.645, 0.880, 0.00049},
 228   { 7.112,  0.713, 0.877, 0.00044}
 229 };
 230
 231 #define PREFIX "IONIZE: "
 232
 233 enum { eionCYL, eionSURF, eionGAUSS, eionNR };
 234
 235 enum { ecollPHOTO, ecollINELASTIC, ecollNR };
 236
 237 typedef struct {
 238   int  z,n,k;
 239   real fj,sigPh,sigIn,vAuger;
 240 } t_cross_atom;
 241
 242 /* BEGIN GLOBAL VARIABLES */
 243
 244 /*
 245   UGLY HACK
 246   The 2 in this list doesn't really mean 2, but 2.5 keV as
 247   it's checked inside the code and added 0.5 when needed.
 248 */
 249
 250 static int   Energies[] = { 2, 6, 8, 10, 12, 15, 20 };
 251 static int   ionize_seed = 1993;
 252 #define NENER asize(Energies)
 253 /* END GLOBAL VARIABLES */
 254
 255 void dump_ca(FILE *fp,t_cross_atom *ca,int i,const char *file,int line)
 256 {
 257   fprintf(fp,PREFIX"(line %d) atom %d, z = %d, n = %d, k = %d\n",
 258           line,i,ca->z,ca->n,ca->k);
 259 }
 260
 261 t_cross_atom *mk_cross_atom(FILE *log,t_mdatoms *md,
 262                             gmx_mtop_t *mtop,int Eindex)
 263 {
 264   int elem_index[] = { 0, 0, 0, 5, 0, 6, 1, 2, 3, 0, 0, 7, 8, 9, 0, 0, 4, 0, 0, 0, 10, 11 };
 265   t_cross_atom *ca;
 266   int  *elemcnt;
 267   char *cc,*resname;
 268   int  i,j,resnr;
 269
 270   fprintf(log,PREFIX"Filling data structure for ionization\n");
 271   fprintf(log,PREFIX"Warning: all fj values set to 0.95 for now\n");
 272   snew(ca,md->nr);
 273   snew(elemcnt,NELEM+1);
 274   for(i=0; (i<md->nr); i++) {
 275     ca[i].n = 0;
 276     ca[i].k = 0;
 277     /* This code does not work for domain decomposition */
 278     gmx_mtop_atominfo_global(mtop,i,&cc,&resnr,&resname);
 279     for(j=0; (j<NELEM); j++)
 280       if (strncmp(cc,element[j].name,strlen(element[j].name)) == 0) {
 281         ca[i].z = element[j].nel;
 282         break;
 283       }
 284     if (j == NELEM)
 285       gmx_fatal(FARGS,PREFIX"Don't know number of electrons for %s",cc);
 286
 287     elemcnt[j]++;
 288
 289     ca[i].sigPh = element[elem_index[ca[i].z]].cross[Eindex].photo;
 290     ca[i].sigIn = element[elem_index[ca[i].z]].cross[Eindex].incoh;
 291     ca[i].fj    = recoil[ca[i].z].Prob_K;
 292     switch (ca[i].z) {
 293     case 6:
 294       ca[i].vAuger  = 0.904;
 295       break;
 296     case 7:
 297       ca[i].vAuger  = 0.920;
 298       break;
 299     case 8:
 300       ca[i].vAuger  = 0.929;
 301       break;
 302     case 3:            /*  probably not correct! */
 303       ca[i].vAuger  = 0.9;
 304       break;
 305     case 5:            /*  probably not correct! */
 306       ca[i].vAuger  = 0.9;
 307       break;
 308     case 11:           /*  probably not correct! */
 309     case 12:           /*  probably not correct! */
 310     case 13:           /*  probably not correct! */
 311     case 16:
 312     case 20:
 313       ca[i].vAuger = 1.0;
 314       break;
 315     default:
 316       ca[i].vAuger= -1;
 317     }
 318   }
 319
 320   fprintf(log,PREFIX"You have the following elements in your system (%d atoms):\n"PREFIX,md->nr);
 321   for(j=0; (j<NELEM); j++)
 322     if (elemcnt[j] > 0)
 323       fprintf(log,"  %s: %d",element[j].name,elemcnt[j]);
 324   fprintf(log," atoms\n");
 325
 326   sfree(elemcnt);
 327
 328   return ca;
 329 }
 330
 331 int number_K(t_cross_atom *ca)
 332 {
 333   if (ca->z <= 2)
 334     return ca->z-ca->n;
 335   else
 336     return 2-ca->k;
 337 }
 338
 339 int number_L(t_cross_atom *ca)
 340 {
 341   return ca->k-2+ca->z-ca->n;
 342 }
 343
 344 real xray_cross_section(int eColl,t_cross_atom *ca)
 345 {
 346   real c=0;
 347   int  nK,nL;
 348
 349   switch (eColl) {
 350   case ecollPHOTO:
 351     nK = number_K(ca);
 352     nL = number_L(ca);
 353     if (ca->z == 1)
 354       c = ca->sigPh;
 355     else if (ca->z == 2)
 356       c = ca->sigPh*0.5;
 357     else
 358       c = (nK*0.5*ca->fj + nL/(ca->z-2)*(1-ca->fj))*ca->sigPh;
 359     break;
 360   case ecollINELASTIC:
 361     c = (ca->z-ca->n)*ca->sigIn/ca->z;
 362     break;
 363   default:
 364     gmx_fatal(FARGS,"No such collision type %d\n",eColl);
 365   }
 366   return c;
 367 }
 368
 369 real prob_K(int eColl,t_cross_atom *ca)
 370 {
 371   real Pl,Pk,P=0;
 372
 373   if ((ca->z <= 2) || (ca->z == ca->n))
 374     return 0;
 375
 376   switch (eColl) {
 377   case ecollPHOTO:
 378     Pl = (ca->k-2+ca->z-ca->n)*(1-ca->fj)/(ca->z-2);
 379     Pk = (2-ca->k)*ca->fj*0.5;
 380     P  = Pk/(Pl+Pk);
 381     break;
 382   case ecollINELASTIC:
 383     P = (2-ca->k)/(ca->z-ca->n);
 384     break;
 385   default:
 386     gmx_fatal(FARGS,"No such collision type %d\n",eColl);
 387   }
 388   return P;
 389 }
 390
 391 double myexp(double x)
 392 {
 393   if (x < -70)
 394     return 0.0;
 395   else
 396     return exp(x);
 397 }
 398
 399 real ptheta_incoh(int Eindex,real theta)
 400      /* theta should be in degrees */
 401 {
 402   /* These numbers generated by fitting 5 gaussians to the real function
 403    * that describes the probability for theta.
 404    * We use symmetry in the gaussian (see 180-angle) therefore there
 405    * are fewer parameters (only 8 per energylevel).
 406    */
 407   static double ppp[NENER][8] = {
 408     { -0.00295169, 10.4847, 0.0341099, /*-*/43.1963,
 409       -0.0164054,  30.2452, 71.0311,    2.50282 },
 410     { -0.00370852, 9.02037, 0.100559,  /*-*/42.9962,
 411       -0.0537891,  35.5077, 71.4305,    1.05515 },
 412     { -0.00427039, 7.86831, 0.118042,  /*-*/45.9846,
 413       -0.0634505,  38.6134, 70.3857,    0.240082 },
 414     { -0.004514,   7.0728,  0.13464,  /*-*/48.213,
 415       -0.0723,     41.06,   69.38,     -0.02 },
 416     { -0.00488796, 5.87988, 0.159574,  /*-*/51.5556,
 417       -0.0855767,  44.7307, 69.0251,   -0.414604 },
 418     { -0.00504604, 4.56299, 0.201064,  /*-*/54.8599,
 419       -0.107153,   48.7016, 68.8212,   -0.487699 }
 420   };
 421   double g1,g2,g3,g4,g5,ptheta;
 422
 423   g1 = myexp(-0.5*sqr((theta-ppp[Eindex][7])/ppp[Eindex][1]));
 424   g2 = myexp(-0.5*sqr((theta-180+ppp[Eindex][7])/ppp[Eindex][1]));
 425   g3 = myexp(-0.5*sqr((theta-90)/ppp[Eindex][3]));
 426   g4 = myexp(-0.5*sqr((theta-ppp[Eindex][6])/ppp[Eindex][5]));
 427   g5 = myexp(-0.5*sqr((theta-180+ppp[Eindex][6])/ppp[Eindex][5]));
 428
 429   ptheta = ppp[Eindex][0]*(g1+g2) + ppp[Eindex][2]*g3 + ppp[Eindex][4]*(g4+g5);
 430
 431   return ptheta;
 432 }
 433
 434 real rand_theta_incoh(int Eindex,int *seed)
 435 {
 436 #define NINTP 450
 437 #define prev (1-cur)
 438   static gmx_bool bFirst = TRUE;
 439   static real **intp;
 440   static int  i,j,cur=1;
 441   real   rrr,dx;
 442   real   y[2];
 443
 444   dx = 90.0/(real)NINTP;
 445   if (bFirst) {
 446     /* Compute cumulative integrals of all probability distributions */
 447     snew(intp,NENER);
 448     for(i=0; (i<NENER); i++) {
 449       snew(intp[i],NINTP+1);
 450       y[prev]    = ptheta_incoh(i,0.0);
 451       /*sum        = y[prev];*/
 452       for(j=1; (j<=NINTP); j++) {
 453         y[cur]     = ptheta_incoh(i,j*dx);
 454         /*sum       += y[cur];*/
 455         intp[i][j] = intp[i][j-1] + (y[cur]+y[prev])*dx;
 456         cur        = prev;
 457       }
 458     }
 459     if (debug) {
 460       fprintf(debug,"Integrated probability functions for theta incoherent\n");
 461       for(j=0; (j<NINTP); j++) {
 462         fprintf(debug,"%10f",dx*j);
 463         for(i=0; (i<NENER); i++)
 464           fprintf(debug,"  %10f",intp[i][j]);
 465         fprintf(debug,"\n");
 466       }
 467     }
 468     bFirst = FALSE;
 469   }
 470
 471   rrr = rando(seed);
 472   for(j=0; (j<NINTP) && (rrr > intp[Eindex][j]); j++)
 473     ;
 474
 475   return (j-1+(rrr-intp[Eindex][j-1])/(intp[Eindex][j]-intp[Eindex][j-1]))*dx;
 476 }
 477
 478 static void polar2cart(real phi,real theta,rvec v)
 479 {
 480   v[XX] = cos(phi)*sin(theta);
 481   v[YY] = sin(phi)*sin(theta);
 482   v[ZZ] = cos(theta);
 483 }
 484
 485 void rand_vector(rvec v,int *seed)
 486 {
 487   real theta,phi;
 488
 489   theta = 180.0*rando(seed);
 490   phi   = 360.0*rando(seed);
 491   polar2cart(phi,theta,v);
 492 }
 493
 494 gmx_bool khole_decay(FILE *fp,t_cross_atom *ca,rvec x[],rvec v[],int ion,
 495                  int *seed,real dt)
 496 {
 497   rvec dv;
 498   real factor;
 499
 500   if ((ca->vAuger < 0) || (recoil[ca->z].tau == 0)) {
 501     dump_ca(stderr,ca,ion,__FILE__,__LINE__);
 502     exit(1);
 503   }
 504   if ((rando(seed) < dt/recoil[ca->z].tau) && (number_L(ca)>1)) {
 505     if (debug)
 506       fprintf(debug,"DECAY: Going to decay a k hole\n");
 507     ca->n++;
 508     ca->k--;
 509     /* Generate random vector */
 510     rand_vector(dv,seed);
 511
 512     factor = ca->vAuger;
 513     if (debug)
 514       fprintf(debug,"DECAY: factor=%10g, dv = (%8.3f, %8.3f, %8.3f)\n",
 515               factor,dv[XX],dv[YY],dv[ZZ]);
 516     svmul(factor,dv,dv);
 517     rvec_inc(v[ion],dv);
 518
 519     return TRUE;
 520   }
 521   else
 522     return FALSE;
 523 }
 524
 525 void ionize(FILE *fp,const output_env_t oenv,t_mdatoms *md,gmx_mtop_t *mtop,
 526             real t,t_inputrec *ir, rvec x[],rvec v[],int start,int end,
 527             matrix box,t_commrec *cr)
 528 {
 529   static FILE  *xvg,*ion;
 530   static const char  *const_leg[] = { "Probability", "Primary Ionization", "Integral over PI", "KHole-Decay", "Integral over KD" };
 531   static gmx_bool  bFirst = TRUE;
 532   static real  t0,imax,width,rho,nphot;
 533   static real  interval;
 534   static int   dq_tot,nkd_tot,mode,ephot;
 535   static t_cross_atom *ca;
 536   static int   Eindex=-1;
 537   static gmx_rng_t gaussrand=NULL;
 538
 539   real factor,E_lost=0;
 540   real pt,ptot,pphot,pcoll[ecollNR],tmax;
 541   real hboxx,hboxy,rho2;
 542   rvec dv,ddv;
 543   gmx_bool bIonize=FALSE,bKHole,bL,bDOIT;
 544   int  i,k,kk,m,nK,nL,dq,nkh,nkdecay;
 545   int  *nionize,*nkhole,*ndecay,nbuf[2];
 546   char **leg;
 547
 548
 549   if (bFirst) {
 550     /* Get parameters for gaussian photon pulse from inputrec */
 551     t0       = ir->userreal1;  /* Peak of the gaussian pulse            */
 552     nphot    = ir->userreal2;  /* Intensity                             */
 553     width    = ir->userreal3;  /* Width of the peak (in time)           */
 554     rho      = ir->userreal4;  /* Diameter of the focal spot (nm)       */
 555     ionize_seed= ir->userint1;   /* Random seed for stochastic ionization */
 556     ephot    = ir->userint2;   /* Energy of the photons                 */
 557     mode     = ir->userint3;   /* Mode of ionizing                      */
 558     interval = 0.001*ir->userint4;   /* Interval between pulses (ps)    */
 559     gaussrand=gmx_rng_init(ionize_seed);
 560
 561     snew(leg,asize(const_leg));
 562     for(i=0;i<asize(const_leg);i++)
 563                 leg[i]=strdup(const_leg[i]);
 564
 565     if ((width <= 0) || (nphot <= 0))
 566       gmx_fatal(FARGS,"Your parameters for ionization are not set properly\n"
 567                   "width (userreal3) = %f,  nphot (userreal2) = %f",
 568                   width,nphot);
 569
 570     if ((mode < 0) || (mode >= eionNR))
 571       gmx_fatal(FARGS,"Ionization mode (userint3)"
 572                   " should be in the range 0 .. %d",eionNR-1);
 573
 574     switch (mode) {
 575     case eionCYL:
 576       imax  = (nphot/(M_PI*sqr(rho/2)))*1e-10*1.0/(width*sqrt(2.0*M_PI));
 577       break;
 578     case eionSURF:
 579       imax  = (nphot/(M_PI*sqr(rho/2)))*1e-10*1.0/(width*sqrt(2.0*M_PI));
 580       break;
 581     }
 582     if (ionize_seed == 0)
 583       ionize_seed = make_seed();
 584     if (PAR(cr)) {
 585       for(i=0; (i<cr->nodeid); i++)
 586         ionize_seed = INT_MAX*rando(&ionize_seed);
 587       fprintf(fp,PREFIX"Modifying seed on parallel processor to %d\n",
 588               ionize_seed);
 589     }
 590
 591     for(Eindex=0; (Eindex < NENER) && (Energies[Eindex] != ephot); Eindex++)
 592       ;
 593     if (Eindex == NENER)
 594       gmx_fatal(FARGS,PREFIX"Energy level of %d keV not supported",ephot);
 595
 596     /* Initiate cross section data etc. */
 597     ca      = mk_cross_atom(fp,md,mtop,Eindex);
 598
 599     dq_tot  = 0;
 600     nkd_tot = 0;
 601
 602     xvg   = xvgropen("ionize.xvg","Ionization Events","Time (ps)","()",oenv);
 603     xvgr_legend(xvg,asize(leg),(const char**)leg,oenv);
 604     ion   = gmx_fio_fopen("ionize.log","w");
 605
 606     fprintf(fp,PREFIX"Parameters for ionization events:\n");
 607     fprintf(fp,PREFIX"Imax = %g, t0 = %g, width = %g, seed = %d\n"
 608             PREFIX"# Photons = %g, rho = %g, ephot = %d (keV)\n",
 609             imax,t0,width,ionize_seed,nphot,rho,ephot);
 610     fprintf(fp,PREFIX"Electron_mass: %10.3e(keV) Atomic_mass: %10.3e(keV)\n"
 611             PREFIX"Speed_of_light: %10.3e(nm/ps)\n",
 612             ELECTRONMASS_keV,ATOMICMASS_keV,SPEED_OF_LIGHT);
 613     fprintf(fp,PREFIX"Interval between shots: %g ps\n",interval);
 614     fprintf(fp,PREFIX"Eindex = %d\n",Eindex);
 615     fprintf(fp,PREFIX"Doing ionizations for atoms %d - %d\n",start,end);
 616
 617     fflush(fp);
 618
 619     bFirst = FALSE;
 620   }
 621
 622   /******************************************************
 623    *
 624    *    H E R E    S T A R T S   I O N I Z A T I O N
 625    *
 626    ******************************************************/
 627
 628   /* Calculate probability */
 629   tmax        = t0;
 630   if (interval > 0)
 631     while (t > (tmax+interval*0.5))
 632       tmax += interval;
 633   /*  End when t <= t0 + (N+0.5) interval */
 634
 635   pt          = imax*ir->delta_t*exp(-0.5*sqr((t-tmax)/width));
 636   dq          = 0;
 637   nkdecay     = 0;
 638
 639   hboxx       = 0.5*box[XX][XX];
 640   hboxy       = 0.5*box[YY][YY];
 641   rho2        = sqr(rho);
 642
 643   /* Arrays for ionization statistics */
 644   snew(nionize,md->nr);
 645   snew(nkhole,md->nr);
 646   snew(ndecay,md->nr);
 647
 648   /* Loop over atoms */
 649   for(i=start; (i<end); i++) {
 650     /* Loop over collision types */
 651     bKHole = FALSE;
 652     bIonize = FALSE;
 653     for(k=0; (k<ecollNR); k++)
 654       /* Determine cross section for this collision type */
 655       pcoll[k]= pt*xray_cross_section(k,&(ca[i]));
 656
 657     /* Total probability of ionisation */
 658     ptot = 1 - (1-pcoll[ecollPHOTO])*(1-pcoll[ecollINELASTIC]);
 659     if (debug && (i==0))
 660       fprintf(debug,PREFIX"Ptot = %g, t = %g\n",ptot,t);
 661
 662     /* Check whether to ionize this guy */
 663     bDOIT = FALSE;
 664     switch (mode) {
 665     case eionCYL:
 666       bDOIT = (((rando(&ionize_seed) < ptot) && (ca[i].n < ca[i].z)) &&
 667                ((sqr(x[i][XX] - hboxx) + sqr(x[i][YY] - hboxy)) < rho2));
 668       break;
 669     case eionSURF:
 670       bDOIT = FALSE;
 671       break;
 672     default:
 673       gmx_fatal(FARGS,"Unknown ionization mode %d (%s, line %d)",mode,
 674                   __FILE__,__LINE__);
 675     }
 676
 677     if (bDOIT) {
 678       clear_rvec(dv);
 679
 680       /* The relative probability for a photoellastic event is given by: */
 681       pphot = pcoll[ecollPHOTO]/(pcoll[ecollPHOTO]+pcoll[ecollINELASTIC]);
 682
 683       if (rando(&ionize_seed) < pphot)
 684         k = ecollPHOTO;
 685       else
 686         k = ecollINELASTIC;
 687
 688       /* If a random number is smaller than the probability for
 689        * an L ionization than do that. Note that the probability
 690        * may be zero (H, He), but the < instead of <= covers that.
 691        */
 692       nK = number_K(&ca[i]);
 693       nL = number_L(&ca[i]);
 694       bL = (nK == 0) || ( (nL > 0) && (rando(&ionize_seed) > prob_K(k,&(ca[i]))));
 695
 696       switch (k) {
 697       case ecollPHOTO: {
 698         /* Select which one to take by yet another random numer */
 699         real theta,phi;
 700
 701         /* Get parameters for photoelestic effect */
 702         /* Note that in the article this is called 2 theta */
 703         theta = DEG2RAD*gmx_rng_gaussian_table(gaussrand)*26.0+70.0;
 704
 705         phi   = 2*M_PI*rando(&ionize_seed);
 706
 707         if (bL)
 708           E_lost = ephot-recoil[ca[i].z].E_L*(ca[i].n+1);
 709           if (ephot == 2) E_lost += 0.5; /* Real energy should be 2.5 KeV*/
 710         else {
 711           E_lost = ephot-recoil[ca[i].z].E_K;
 712           if (ephot == 2) E_lost += 0.5; /* Real energy should be 2.5 KeV*/
 713           if ((ca[i].z > 2) && (nL > 0))
 714             bKHole = TRUE;
 715         }
 716         if (debug)
 717           fprintf(debug,"i = %d, nK = %d, nL = %d, bL = %s, bKHole = %s\n",
 718                   i,nK,nL,EBOOL(bL),EBOOL(bKHole));
 719         if (E_lost < 0) {
 720           E_lost  = 0.0;
 721           bIonize = FALSE;
 722           bKHole  = FALSE;
 723         }
 724         else {
 725           /* Compute the components of the velocity vector */
 726           factor = ((ELECTRONMASS_keV/(ATOMICMASS_keV*md->massT[i]))*
 727                     (SPEED_OF_LIGHT*sqrt(2*E_lost/ELECTRONMASS_keV)));
 728
 729           /* Subtract momentum of recoiling electron */
 730           polar2cart(phi,theta,ddv);
 731           for(m=0; (m<DIM); m++)
 732             dv[m] -= factor*ddv[m];
 733
 734           if (debug)
 735             pr_rvec(debug,0,"ELL",dv,DIM,TRUE);
 736
 737           bIonize = TRUE;
 738         }
 739         break;
 740       }
 741       case ecollINELASTIC: {
 742         real theta,Ebind,Eelec;
 743
 744         if (bL)
 745           Ebind = (ca[i].n+1)*recoil[ca[i].z].E_L;
 746         else {
 747           Ebind  = recoil[ca[i].z].E_K;
 748           if ((ca[i].z > 2) && (nL > 0))
 749             bKHole = TRUE;
 750         }
 751         theta      = DEG2RAD*rand_theta_incoh(Eindex,&ionize_seed);
 752         Eelec      = (sqr(ephot)/512)*(1-cos(2*theta));
 753         if (ephot == 2)  Eelec = (sqr(ephot+.5)/512)*(1-cos(2*theta)); /* Real energy should be 2.5 KeV*/
 754         bIonize    = (Ebind <= Eelec);
 755         bKHole     = bKHole && bIonize;
 756         if (debug)
 757           fprintf(debug,PREFIX"Ebind: %g, Eelectron: %g\n",Ebind,Eelec);
 758         if (!bIonize) {
 759           /* Subtract momentum of recoiling photon */
 760           /*phi     = 2*M_PI*rando(&ionize_seed);
 761             bKHole  = FALSE;
 762             factor  = ephot*438;
 763             dv[XX] -= factor*cos(phi)*sin(theta);
 764             dv[YY] -= factor*sin(phi)*sin(theta);
 765             dv[ZZ] -= factor*cos(theta);
 766           */
 767           if (debug)
 768             pr_rvec(debug,0,"INELL",dv,DIM,TRUE);
 769         }
 770         break;
 771       }
 772       default:
 773         gmx_fatal(FARGS,"Ga direct naar de gevangenis. Ga niet langs start");
 774       }
 775       if (bIonize) {
 776         /* First increase the charge */
 777         if (ca[i].n < ca[i].z) {
 778           md->chargeA[i] += 1.0;
 779           md->chargeB[i] += 1.0;
 780           ca[i].n++;
 781           dq ++;
 782         }
 783         if (debug) {
 784           fprintf(debug,"Random-dv[%3d] = %10.3e,%10.3e,%10.3e,"
 785                   " ephot = %d, Elost=%10.3e\n",
 786                   i,dv[XX],dv[YY],dv[ZZ],ephot,E_lost);
 787         }
 788       }
 789       /* Now actually add the impulse to the velocities */
 790       for(m=0; (m<DIM); m++)
 791         v[i][m] += dv[m];
 792       if (bKHole) {
 793         ca[i].k ++;
 794         nkhole[i]++;
 795       }
 796       else if (bIonize)
 797         nionize[i]++;
 798     }
 799
 800     /* Now check old event: Loop over k holes! */
 801     nkh = ca[i].k;
 802     for (kk = 0; (kk < nkh); kk++)
 803       if (khole_decay(fp,&(ca[i]),x,v,i,&ionize_seed,ir->delta_t)) {
 804         nkdecay ++;
 805         ndecay[i]++;
 806         md->chargeA[i] += 1.0;
 807         md->chargeB[i] += 1.0;
 808       }
 809
 810     if (debug && (ca[i].n > 0))
 811       dump_ca(debug,&(ca[i]),i,__FILE__,__LINE__);
 812   }
 813
 814   /* Sum events for statistics if necessary */
 815   if (PAR(cr)) {
 816     gmx_sumi(md->nr,nionize,cr);
 817     gmx_sumi(md->nr,nkhole,cr);
 818     gmx_sumi(md->nr,ndecay,cr);
 819     nbuf[0] = dq; nbuf[1] = nkdecay;
 820     gmx_sumi(2,nbuf,cr);
 821     dq = nbuf[0]; nkdecay = nbuf[1];
 822   }
 823   /* Now sum global events on this timestep to cumulative numbers */
 824   dq_tot  += dq;
 825   nkd_tot += nkdecay;
 826
 827   /* Printing time */
 828   if (MASTER(cr)) {
 829     /* Print data to the file that holds ionization events per atom */
 830     fprintf(ion,"%12.8f",t);
 831     for(i=0; (i<md->nr); i++) {
 832       if (nionize[i])
 833         fprintf(ion,"  I:%d",i+1);
 834       if (nkhole[i])
 835         fprintf(ion,"  K:%d",i+1);
 836       if (ndecay[i])
 837         fprintf(ion,"  D:%d",i+1);
 838     }
 839     fprintf(ion,"\n");
 840     if (debug)
 841       fflush(ion);
 842
 843     /* Print statictics to file */
 844     fprintf(xvg,"%10.5f  %10.3e  %6d  %6d  %6d  %6d",
 845             t,pt,dq,dq_tot,nkdecay,nkd_tot);
 846     fprintf(xvg,"\n");
 847     if (debug)
 848       fflush(xvg);
 849   }
 850   sfree(nionize);
 851   sfree(nkhole);
 852   sfree(ndecay);
 853 }
 854