SpectraRust/src/synspec/math/hidalg.rs

//! 光致电离截面插值（Hidalgo 1968）。
//!
//! 重构自 SYNSPEC `hidalg.f`
//!
//! 使用 Hidalgo (1968, Ap. J., 153, 981) 的波长和光致电离截面数据表，
//! 对给定频率进行线性插值。

/// 波长网格 1 (Å)，用于 INDEX < 13 的物种
const WL1: [f64; 20] = [
    39.1, 80.9, 97.6, 100.1, 104.3, 107.2, 108.7, 111.9, 113.6, 115.4,
    117.1, 119.0, 124.8, 126.9, 129.1, 131.3, 133.6, 136.0, 138.5, 141.1,
];

/// 波长网格 2 (Å)，用于 INDEX >= 13 的物种
const WL2: [f64; 20] = [
    68.5, 80.9, 100.1, 120.9, 158.8, 165.7, 177.3, 190.6, 200.7, 206.2,
    211.9, 218.0, 224.5, 231.3, 246.3, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
];

/// 光致电离截面数据 (Mbarn)，20×24 矩阵（列优先存储）
const SIG0: [[f64; 20]; 24] = [
    [0.0; 20], // col 1
    [
        0.0460, 0.2400, 0.3500, 0.3700, 0.4000, 0.4300, 0.4400, 0.4600, 0.4700, 0.4900,
        0.5000, 0.5200, 0.5700, 0.6200, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
    ], // col 2
    [0.0; 20], // col 3
    [
        0.0092, 0.1000, 0.1900, 0.2100, 0.2300, 0.2500, 0.2600, 0.2900, 0.3000, 0.3200,
        0.3400, 0.3500, 0.4100, 0.4300, 0.4500, 0.4800, 0.5000, 0.5300, 0.5600, 0.5900,
    ], // col 4
    [
        0.3400, 0.4600, 0.6300, 0.7700, 0.9100, 1.080, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
        0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
    ], // col 5
    [0.0; 20], // col 6
    [
        0.0064, 0.1100, 0.2200, 0.4100, 0.9400, 1.000, 1.300, 1.600, 0.0, 0.0,
        0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
    ], // col 7
    [0.0; 20], // col 8
    [
        0.0370, 0.0650, 0.1300, 0.2400, 0.5500, 0.6300, 0.7700, 0.9500, 1.100, 1.250,
        0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
    ], // col 9
    [0.0; 20], // col 10
    [
        0.0220, 0.0390, 0.0800, 0.1500, 0.3500, 0.4000, 0.4900, 0.6200, 0.7200, 0.7800,
        0.8500, 0.9300, 1.020, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0,
    ], // col 11
    [0.0; 20], // col 12
    [0.0; 20], // col 13
    [0.0; 20], // col 14
    [0.0; 20], // col 15
    [0.0; 20], // col 16
    [0.0; 20], // col 17
    [0.0; 20], // col 18
    [0.0; 20], // col 19
    [0.0; 20], // col 20
    [0.0; 20], // col 21
    [0.0; 20], // col 22
    [0.0; 20], // col 23
    [0.0; 20], // col 24
];

/// 光速 (cm/s)
const C_LIGHT: f64 = 2.997925e18;

/// 截面单位转换因子 (cm^2)
const SIG_FACTOR: f64 = 1.0e-18;

/// Hidalgo (1968) 光致电离截面插值。
///
/// 根据 Hidalgo 数据表，对给定频率进行线性插值。
///
/// # 参数
///
/// * `ib` - 物种标识（负值，`INDEX = -IB - 100`）
/// * `fr` - 频率 (Hz)
///
/// # 返回值
///
/// 光致电离截面 (cm^2)
pub fn hidalg(ib: i32, fr: f64) -> f64 {
    let index = (-ib - 101) as usize; // 转为 0-indexed
    if index >= 24 {
        return 0.0;
    }

    // 根据 INDEX 选择波长网格和数据
    let num = if index < 12 { 20 } else { 15 };
    let wli = if index < 12 { &WL1 } else { &WL2 };
    let sigs = &SIG0[index];

    // 将频率转换为波长 (Å)
    let wlam = C_LIGHT / fr;

    // 查找插值区间
    let mut il = 0;
    let mut ir = num - 1;
    for i in 0..num - 1 {
        if wlam >= wli[i] && wlam <= wli[i + 1] {
            il = i;
            ir = i + 1;
            break;
        }
    }

    // 线性插值
    let mut sigm = if wli[ir] - wli[il] > 0.0 {
        (sigs[ir] - sigs[il]) * (wlam - wli[il]) / (wli[ir] - wli[il]) + sigs[il]
    } else {
        sigs[il]
    };

    // 边界处理
    if wlam <= wli[0] {
        sigm = sigs[0];
    }
    if wlam >= wli[num - 1] {
        sigm = sigs[num - 1];
    }

    sigm * SIG_FACTOR
}

#[cfg(test)]
mod tests {
    use super::*;

    #[test]
    fn test_hidalg_in_range() {
        // 测试 H I (IB=-101, INDEX=0) 在有效波长范围内
        // 100 Å 对应频率
        let fr = C_LIGHT / 100.0;
        let result = hidalg(-101, fr);
        // H I 数据全为 0，所以结果应为 0
        assert!(result >= 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_hidalg_species_2() {
        // 测试物种 2 (IB=-102, INDEX=1)
        let fr = C_LIGHT / 50.0; // 50 Å
        let result = hidalg(-102, fr);
        assert!(result >= 0.0);
        assert!(result.is_finite());
    }

    #[test]
    fn test_hidalg_invalid_index() {
        let result = hidalg(-125, C_LIGHT / 100.0);
        assert_eq!(result, 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_hidalg_above_range() {
        // 高于波长范围时返回末值
        let fr = C_LIGHT / 200.0;
        let result = hidalg(-102, fr);
        assert!(result >= 0.0);
    }
}