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2026-07-21 22:25:14 +08:00

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CNO 热亚矮星光谱：调试经验与批量网格操作手册

本文档记录在 tl208-s54/cno_grid/ 上构建含 C/N/O 金属线的热亚矮星理论光谱 过程中积累的全部经验，重点是收敛调试中踩过的坑和已验证可行的配方。 基础背景知识见 tests/cno_sdspectrum/GUIDE.md（必读）。

1. 核心结论（先读这一节）

  1. 金属线必须进大气模型。 实测证实：纯 H+He 大气下跑 synspec，C/N/O 谱线 全部产生 NaN——因为大气里没有金属能级，synspec 无法计算谱线不透明度。 所以 C/N/O 必须作为显式 NLTE 原子（mode=2）写进 .5 的大气和 ions 段。 这正是 tests/cno_sdspectrum/GUIDE.md 的方案 B（自洽）。

  2. 收敛必须走三步法，nc 步骤不可省略：

    LTE 灰大气 (T T, NITER=0)          → 初始温度结构
NLTE 连续谱 (F F, ilvlin=0, "nc")  → 收敛电离平衡+布居数（不含谱线扰动）
NLTE 含线   (F F, ilvlin=100, "nl")→ 加谱线，从 nc 种子快速收敛
SYNSPEC                            → 合成可观测光谱

    nc 是关键：它在没有谱线扰动的情况下先收敛 NLTE 电离平衡，给 nl 一个 稳定种子。跳过 nc（grey-LTE → 直接含线 NLTE）必定发散（见第 3 节）。

  3. 端到端已验证跑通（35000K / logg 5.5 / logHe=-2 / CNO=-1）： lte✓ → nc✓ → nl 收敛 (max_relc=0.0043) → synspec✓，产出 111500 个有效 通量点，CNO 吸收线清晰可见（3000–3500Å 吸收深度 68%）。单模型约 14 分钟。

2. 已验证的精确配方

2.1 .5 文件三阶段配置

三个阶段用相同的 NATOMS（8）和 ions 能级数，只改三处：第 2 行 LTE/LTGRAY 标志、第 3 行 nst 文件名、ions 段第 5 列 ilvlin。

阶段 第2行 nst ilvlin 说明
lte T T nst (NITER=0) 0/100 均可(LTE忽略线) 灰大气，不迭代
nc F F nst_nc (NITER=50) 0 NLTE 连续谱，无线跃迁
nl F F nst_nl (NITER=100) 100 NLTE 全谱线

ilvlin=0 让该离子的束缚-束缚跃迁不参与计算（只保留连续谱），这正是 nc 步骤 稳定收敛的原因。ilvlin=100 恢复全部线跃迁。

2.2 CNO 模型原子（能级数，照搬 BSTAR2006）

元素 离子 / 能级 / 数据文件
C (Z=6) C I 40 c1.dat / C II 22 c2.dat / C III 46 c3_34+12lev.dat / C IV 25 c4.dat / C V 1
N (Z=7) N I 34 n1.dat / N II 42 n2_32+10lev.dat / N III 32 n3.dat / N IV 48 n4_34+14lev.dat / N V 16 n5.dat / N VI 1
O (Z=8) O I 33 o1_23+10lev.dat / O II 48 o2_36+12lev.dat / O III 41 o3_28+13lev.dat / O IV 39 o4.dat / O V 6 o5.dat / O VI 1
He He I 24 he1.dat / He II 20 he2.dat（Peter Nemeth 邮件建议，勿用 14-level）
H H I 9 h1.dat

合计约 530 个能级，全部文件在 $TLUSTY/data/ 下已确认存在。

2.3 nst 非标准参数（已验证）

ND=50,NLAMBD=3,VTB=2.,ISPODF=1,DDNU=50.,CNU1=6.,CHMAX=<阶段>,ITEK=3,NITER=<阶段>
IELCOR=-1
  • lte 阶段：NITER=0（灰大气不迭代）
  • nc 阶段：NITER=50, CHMAX=0.1（不必完全收敛，作种子即可）
  • nl 阶段：NITER=100, CHMAX=0.01（要求收敛）
  • NLAMBD=3, ISPODF=1, DDNU=50., CNU1=6. 是频率网格细化参数，不能省
  • IELCOR=-1 关闭电子密度修正（这些 sdB 模型需要）

2.4 丰度约定

.5 的 atoms 段 abn 列：

  • 0 = 太阳丰度（Tlusty 内置 Grevesse & Sauval 1998）
  • >0 = 绝对比值 N(elem)/N(H)，即 10^logX（logX = −1 → abn=0.1）
  • <0 = 太阳丰度的倍数（−0.1 = 0.1×太阳，−5 = 5×太阳）

本次网格统一用 abn = 10^logX（logX 为 −4..2 / −2..1）。

2.5 synspec 波长窗口

fort.55.lin 第 6 行 WLMIN WLMAX WLSTEP ...。验证用的是 3000–7000Å（光学， 覆盖 C II 4267、C III 4647 等）。要 UV 段（含更多 CNO 线）用 fort.55.uvopt （900–8000Å，见 tests/cno_sdspectrum/）。谱线表用 data/gfVIS99.dat（含 C 1412 / N 2396 / O 1885 条线）或 data/gfATO.dat（更全）。

3. 调试踩坑记录（避免重蹈覆辙）

坑 1：跳过 nc 步骤 → NLTE 发散 ❌→✅

现象：从 grey-LTE 种子直接跑含线 NLTE（ilvlin=100），max_relc 在 iter 4 起 爆炸到 1e20 并产生 NaN。 根因：grey-LTE 的 LTE 布居数与 NLTE 解差距巨大，加上数千条谱线的扰动同时 涌入，线性化必然爆。 解决：插入 nc 步骤（ilvlin=0），先无谱线地收敛 NLTE 电离平衡。 这是最重要的经验。

坑 2：ITEK=100 反而更差 ❌

现象：nc/nl 不收敛时把 ITEK 升到 100（Peter 邮件提过 3/15/100）。 结果：ITEK=100 导致 overshoot，max_relc 飙到 1e29，比 ITEK=3 更糟。 解决：ITEK 回退链上限设为 15，不要用 100。

坑 3：纯 H+He 种子喂含 CNO 模型 → 全 NaN ❌

现象：把纯 H+He 的 .7（38 能级）作 fort.8 种子跑含 CNO 模型（530 能级）， fort.7 全 NaN。 根因：种子与目标的能级结构不匹配，tlusty 无法映射布居数。 解决：三步法的三个阶段用相同 NATOMS 和 ions 配置（只改 ilvlin/LTE 标志）， 保证种子结构兼容。lte 的 .7 已经包含全部 CNO 能级位置（LTE 填充），所以能 正确喂给 nc。

坑 4：NITER=0 的 LTE 阶段不产生 fort.9 ❌→✅

现象：lte 阶段 NITER=0（灰大气不迭代），不输出 fort.9 收敛日志，自动化脚本 判定"失败"并跳过种子复制。 解决：脚本里对 fort.7（大气）单独判存在；NITER=0 时无 fort.9 是正常的， 直接把 fort.7 当种子传给下一阶段。

坑 5：grey-LTE 单独跑 synspec → 全 NaN ❌

现象：grey-LTE 大气（未做 nc/nl）直接跑 synspec，谱线全 NaN。 根因：grey 温度结构错误（标准深度 T=127834K），所有线被拒。 结论：synspec 必须用经过 nc→nl 收敛的 NLTE 大气，不能用 grey 或纯 LTE 大气。

坑 6：分析脚本读错列 → 误判"整数发散"❌

现象：监控脚本显示 max_relc = 1.0, 2.0, 3.0... 精确整数线性增长，一度怀疑 二进制有未初始化变量 bug。 真相：正则捕获了迭代号（第 1 列）而非 max_relc（第 7 列）。 教训：fort.9 列顺序是 ITER ID TEMP NE POP RAD MAXIMUM ilev ifr， max_relc 在第 7 列。check_conv.py 一直是对的，是临时监控脚本错了。 始终用 check_conv.py 判收敛，不要手写解析。

坑 7：logg 跨度太大的种子 → 发散 ❌

现象：用 logg=4.0 的种子跑 logg=5.5 的模型（重力差 100 倍），发散。 解决：网格扩展时用"种子步进"——相邻参数点之间步长要小（logg 每步 ≤0.5， Teff 每步 ≤5000K），用最近邻已收敛模型作种子。run_grid.py 已实现此逻辑。

4. 自动化系统使用说明（cno_grid/）

4.1 目录结构

cno_grid/
├── config.yaml            # 6维网格 + 收敛链配置
├── templates/
│   ├── cno_atmos.5.tpl    # （备用）模板
│   ├── nst                # （备用）nst
│   └── fort.55.lin        # synspec 波长窗口
├── src/
│   ├── gen_input5.py      # 6维参数 → .5（支持 ilvlin / metals 子集）
│   ├── check_conv.py      # fort.9 收敛判定
│   ├── run_one.py         # 单模型三步链 + synspec（核心）
│   ├── run_grid.py        # 6维网格调度（断点续算/并行/种子复用）
│   └── plot_spec.py       # 归一化光谱 + CNO 诊断线标注
└── results/<model_name>/  # 每个模型的 .5/.7/.9/.spec/.cont/conv.json

4.2 跑单个模型

export TLUSTY=/home/dckj/program/tlusty/tl208-s54
python3 cno_grid/src/run_one.py \
  --teff 35000 --logg 5.5 --loghe -2 --logc -1 --logn -1 --logo -1
# 结果在 cno_grid/results/t35000_g5.5_he-2_c-1_n-1_o-1/
#   conv.json   - 收敛状态（converged: true/false + 各阶段 max_relc）
#   *.spec/.cont - synspec 光谱/连续谱
#   *.lte.7/nc.7/nl.7 - 各阶段大气快照

4.3 批量网格

# 编辑 config.yaml 的 grid 轴（各维点列表），然后：
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml --dry-run   # 先看总数
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml             # 正式跑
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml --only teff=35000,logg=5.5  # 子集
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml --limit 3   # 只跑3个(测试)

# 特性：
#   - resume: 跳过 conv.json 里 converged=true 的模型（断点续算）
#   - 种子复用: 新模型自动找最近邻已收敛 .7 作种子
#   - nworkers: config.yaml 里设并行进程数
#   - 失败隔离: 单点失败不中断网格，记入 grid_status.json

4.4 检查收敛 / 画图

python3 cno_grid/src/check_conv.py results/<model>/<model>.nl.9 --chmax 0.01
python3 cno_grid/src/plot_spec.py results/<model>   # 出 spectrum.png + CNO 线标注

4.5 收敛链调参（config.yaml 的 chain 段）

默认链已验证可行。若某些参数点（He-rich / 高金属）不收敛，可调：

  • 放宽 nl 的 CHMAX（0.01 → 0.05）
  • 增加 nc 的 NITER（50 → 200，GUIDE 提到 200 可完全收敛）
  • 在 nc/nl 加 ORELAX 阻尼（orelax: 0.5）
  • He-rich 点可能物理上无法收敛到 0.01（Peter 邮件预警），如实记录即可

5. 已知的 NaN 问题（非阻塞）

synspec 输出的 .spec 在部分波长区有 NaN（典型 ~70% 点有效）。这是 synspec54 在致密谱线区的数值行为（"lines rejected based on opacities"）。有效区间的 光谱是可信的——35000K 模型在 3000–3500Å 有 73627 个有效点，吸收深度 68%， CNO 线清晰。降低波长采样密度或换 gfATO.bin 谱线表可能减少 NaN，但不影响 已验证的物理结论。

5.5 网格边界测试结果（8/8 全部成功）

在网格边界挑 8 个代表性难点（覆盖 Teff/logg/logHe 和 CNO 丰度两个轴），用三步法 （lte→nc→nl）+ 稳定化（方案 B，对所有 NLTE 阶段无条件启用）实测，全部成功：

Teff / logg / logHe 边界（CNO=0 太阳丰度）

# 参数 (Teff/logg/logHe/CNO) nl 收敛 max_relc 有效点 结论
1 20000/5.0/+2/0（低温He-rich，最难） YES 0.00654 115362 ✓
2 80000/6.5/+2/0（高温He-rich） YES 0.00915 105183 ✓ 修复后
3 80000/6.5/−4/0（高温He-poor） YES 0.00769 106469 ✓ 修复后
4 40000/6.0/0/+1（高金属CNO=10×H） YES 0.0069 108693 ✓
5 20000/6.5/−4/0（低温贫He） YES 0.00927 115479 ✓

CNO 丰度边界（含非对称丰度）

# 参数 (Teff/logg/logHe/C/N/O) nl 收敛 max_relc 有效点 结论
6 40000/5.5/0/−2/−2/−2（极贫金属，0.01×H） YES 0.00764 108693 ✓ 修复后
7 40000/5.5/0/+1/−2/−2（C富N/O贫，sdB典型） YES 0.00376 108576 ✓
8 80000/6.5/−4/−2/−2/−2（高温+极贫金属） YES 0.00394 105300 ✓

关键发现

  1. 8/8 全部收敛，全部产出有效光谱（10万+ 有效点）——整个网格边界（Teff 20000-80000、logg 5.0-6.5、logHe −4..2、CNO −2..1，含非对称丰度）均可计算。

  2. 发散不只与高温有关：测试 #6（40000K/logg5.5/logHe=0）初次也发散了， 证明发散触发条件是 Teff/logg/logHe 的组合，不只高温。因此方案 B（IDLTE=45 等）改为对所有 NLTE 阶段无条件启用——物理上深层 LTE 对所有 sdB 都成立。

  3. 非对称丰度可行：测试 #7（C=10×H, N=O=0.01×H）这种 sdB 典型的 C-rich 组合收敛良好（relc=0.00376），说明 C/N/O 可独立取不同丰度值。

  4. 耗时：80000K 点因方案 B 的 nc 快速收敛，仅 58s；40000K 含线 nl 较慢 （~20-30 min）。24 核并行约每小时 72 个模型。

5.6 80000K 高温发散：源码级根因与解决方案

问题

初次边界测试中，两个 80000K 点（He-rich 和 He-poor）在 nc 阶段发散： max_relc 从 iter1 的 ~40 单调爆炸到 iter10 的 1e13–1e17（触发 tlusty208.f:14700 的 ABS(CHMX).GT.1.D16 硬停止）。35000K 同配方则正常收敛。

根因（tlusty208.f 源码分析）

通过分析源码确认发散由三个叠加因素导致，全部集中在深层（ID 1-8）的能级 布居数（POP 列），温度变化很小：

  1. ORELAX=1.0 无阻尼（tlusty208.f:14647）：ORELAX 只乘到布居数修正上。 默认 1.0 = 纯线性化无阻尼，首次迭代就把深层 CNO 高价离子（O IV/V、C IV、 N IV/V）布居数猛推向 NLTE，每步最多变 10 倍（DPSILG=10 限幅器，14652）。

  2. Ng 加速 iter7 起雪上加霜（IACC=7 默认，tlusty208.f:29704）：Ng 外推 假定迭代已近线性收敛；在强烈非线性区外推会放大误差。fort.10 显示 iter7 正是 深层 POP 从 1e2 跳到 1e4 的转折点。

  3. 深层无 LTE 保护（IDLTE=1000 默认，tlusty208.f:5515）：所有 50 层都解 NLTE。80000K 深层高电离能级的光致电离-复合平衡极陡峭，完全线性化给出的 修正方向不稳定。

物理本质：80000K 下 CNO 多次电离，LTE 灰大气初猜的布居数与真实 NLTE 解差太远。 与 He 丰度无关（He-rich 和 He-poor 都发散）。

解决方案 B（已验证，已集成进代码）

IDLTE=45, IACC=NITER+1  （对所有 NLTE 阶段无条件启用）
  • IDLTE=45（tlusty208.f:5515）：强制最深的 5 层走 LTE。物理合理——深层 τ≫1 本就该接近 LTE，且消除深层高电离能级的发散源。对所有 sdB 都成立。
  • IACC=NITER+1（tlusty208.f:29704）：完全关闭 Ng 加速（设大于 NITER 使 ACCEL2 早返回），避免外推放大误差。

效果（边界点3，80000/He-poor）：

  • 修复前：nc iter1=38.8 → iter10=1.5e13（发散），大气全 NaN，0 有效光谱点
  • 修复后：nc iter1=2.39 → iter5=0.067（5 次收敛），nl iter6=0.0078（收敛）， 106469 有效光谱点，零 NaN

注：ORELAX 当前未默认启用（保持 1.0），因为 IDLTE+IACC 已足够稳定。若遇极端 点仍发散，可在 config.yaml 的 chain 阶段加 orelax: 0.5 进一步阻尼。

run_one.py 已自动处理：所有 lte=="F" 的阶段（nc/nl）自动加 IDLTE=45 和 IACC=NITER+1；LTE 灰大气阶段（NITER=0）保持干净不加。

备选方案（若方案 B 仍不够，按推荐度）

  • 方案 A（碰撞-辐射开关）：ICRSW=1, SWPFAC=0.1, SWPINC=3.0（SWITCH 子程序 tlusty208.f:4556）。首轮压低辐射率使布居数接近 LTE，逐步恢复真 NLTE。Hummer & Voels (1988) 标准稳定化手段。
  • 方案 C（强限幅）：DPSILG=3.0, ORELAX=0.3, ITEK=5。把单步布居数变化 上限从 10× 降到 3×，更保守但迭代更多。

关键源码位置（供进一步调参参考）

参数 源码行 作用
ORELAX 14647, 844 布居数过松弛（<1 阻尼）
IDLTE 5515 深层强制 LTE 的深度阈值
IACC/IACD 29704, 29750 Ng 加速起始/间隔
ITEK 836-860 完全线性化迭代数（之后转 Kantorovich）
DPSILG/DPSILT 14652-14659 单步修正限幅（通用/温度）
ICRSW/SWPFAC 4556-4642 碰撞-辐射开关（逐步引入 NLTE）
POPZCH 22910 max_relc 计算时跳过的小布居数阈值

6. 邮件往来要点（Peter Nemeth，2024-10~11）

完整邮件在 hot_subdwarf/letter/。关键技术建议：

  1. 收敛判定：fort.9 各深度相对变化都 < CHMAX（用 check_conv.py）
  2. He 用最复杂模型原子（24-level He I + 20-level He II）
  3. He-rich 模型难收敛属正常；用模型链（粗→精 CHMAX）；可减小模型间步长
  4. ITEK 可调（3/15/100）提升稳定性——但实测 100 会 overshoot，勿超 15
  5. CHMAX：普通星 0.001 可达；He-dominated 可放到几个%；先 10% 再 1% 逐步收紧
  6. synspec 后处理（卷积、vsini）仅在比对观测时需要；纯理论光谱可直接用 fort.7

7. 参考文件索引

文件 内容
tests/cno_sdspectrum/GUIDE.md 你写的原始指南（基础流程、.5 格式、nst 说明）—— 必读
tests/cno_sdspectrum/R1_full 你验证过的完整四步运行脚本
tests/cno_sdspectrum/sdB35000g550_{lte,nc,nl}.5 三阶段的范例 .5 文件
tests/sdB_spectra/runs/test_cno/ 已算好的 35000/5.5 CNO 模型结果
tl208-s54/tests/tlusty/bstar/BGA20000g400v2a.5 BSTAR2006 含全套金属参考模型
hot_subdwarf/letter/ 与 Peter Nemeth 的全部邮件
cno_grid/src/run_one.py 三步链实现（DEFAULT_CHAIN 即验证配方）