SpectraRust/src/synspec/math/griem.rs

//! Griem Stark 阻尼参数计算。
//!
//! 重构自 SYNSPEC `griem.f`
//!
//! 从输入的 Stark 宽度值计算 Stark 阻尼参数 (GAM)。
//! 输入值对应 T=5000, 10000, 20000, 40000 K，
//! 以及 NE=1e16 (中性原子) 或 NE=1e17 (离子)。

/// Griem 计算所需的模型层参数。
#[derive(Debug, Clone)]
pub struct GriemParams {
    /// 温度插值索引 (JT)
    pub jt: usize,
    /// 温度插值系数 0
    pub ti0: f64,
    /// 温度插值系数 1
    pub ti1: f64,
    /// 温度插值系数 2
    pub ti2: f64,
}

/// 计算 Griem Stark 阻尼参数 GAM。
///
/// # 参数
///
/// * `t` - 温度 (K)，如果 <= 0 则返回 0
/// * `ane` - 电子数密度
/// * `ion` - 电离级数 (1=中性, 2=一次电离, ...)
/// * `fr` - 频率相关因子
/// * `wgr` - Stark 宽度数组 [W@5000K, W@10000K, W@20000K, W@40000K]
/// * `params` - 模型层插值参数
///
/// # 返回值
///
/// Stark 阻尼参数 GAM
///
/// # 算法
///
/// ```text
/// GAM = (插值后的WGR) * ANE * 1e-10 * FR * 1e-10 * FR * 4.2e-14
/// 如果 ION > 1: GAM = GAM * 0.1
/// 如果 GAM < 0: GAM = 0
/// ```
pub fn griem(t: f64, ane: f64, ion: i32, fr: f64, wgr: &[f64; 4], params: &GriemParams) -> f64 {
    // 温度检查
    if t <= 0.0 {
        return 0.0;
    }

    // 温度插值
    let jt_idx = params.jt; // 已是 0-indexed

    // 插值计算 Stark 宽度
    let w_interp = params.ti0 * wgr[jt_idx]
                 + params.ti1 * wgr[jt_idx - 1]
                 + params.ti2 * wgr[jt_idx - 2];

    // 计算 GAM
    let mut gam = w_interp * ane * 1e-10 * fr * 1e-10 * fr * 4.2e-14;

    // 离子的修正
    if ion > 1 {
        gam *= 0.1;
    }

    // 确保非负
    gam.max(0.0)
}

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

    fn make_params(jt: usize) -> GriemParams {
        GriemParams {
            jt,
            ti0: 1.0,
            ti1: 0.0,
            ti2: 0.0,
        }
    }

    #[test]
    fn test_basic() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        assert!(gam >= 0.0);
        assert!(gam.is_finite());
    }

    #[test]
    fn test_zero_temperature() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam = griem(0.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        assert_relative_eq!(gam, 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_negative_temperature() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam = griem(-100.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        assert_relative_eq!(gam, 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_ion_correction() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam_neutral = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);
        let gam_ion = griem(10000.0, 1e13, 2, 1.0, &wgr, &params);

        // 离子的 GAM 应该是中性的 0.1 倍
        assert_relative_eq!(gam_ion, 0.1 * gam_neutral, epsilon = 1e-10);
    }

    #[test]
    fn test_density_scaling() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam1 = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);
        let gam2 = griem(10000.0, 2e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        // 密度翻倍，GAM 应该翻倍
        assert_relative_eq!(gam2, 2.0 * gam1, epsilon = 1e-10);
    }

    #[test]
    fn test_fr_scaling() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam1 = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);
        let gam2 = griem(10000.0, 1e13, 1, 2.0, &wgr, &params);

        // FR 翻倍，GAM 应该是 4 倍 (因为 FR^2)
        assert_relative_eq!(gam2, 4.0 * gam1, epsilon = 1e-10);
    }

    #[test]
    fn test_temperature_interpolation() {
        let params = make_params(2);
        let wgr = [1.0, 2.0, 4.0, 8.0]; // 不同的温度宽度

        let gam = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        // jt=2 使用 wgr[2]=4.0
        assert!(gam > 0.0);
    }

    #[test]
    fn test_negative_result_clamped() {
        let params = GriemParams {
            jt: 2,
            ti0: -1.0, // 负系数
            ti1: 0.0,
            ti2: 0.0,
        };
        let wgr = [1.0, 1.0, 1.0, 1.0];

        let gam = griem(10000.0, 1e13, 1, 1.0, &wgr, &params);

        // 负值应该被钳制为 0
        assert_relative_eq!(gam, 0.0);
    }
}