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TLUSTY/cno_grid/EXPERIENCE.md
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2026-07-23 19:06:45 +08:00

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CNO 热亚矮星光谱：完整调试经验与原理文档

本文档完整记录在 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，所有测试、遇到的问题、根因分析、解决方法和底层物理/数值原理。

重要：本文档经过了多轮调试验证。之前版本的"8/8 边界全部成功"等结论 不准确（基于错误的 CHMAX=0.1 配置）。本版本如实记录了最终确认的结果。

1. 核心结论（先读这一节）

  1. 金属线必须进大气模型（方案B，自洽）。 纯 H+He 大气下 synspec 的 C/N/O 谱线全 NaN——大气里没有金属能级，无法计算谱线不透明度。

  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（无线跃迁）
NLTE 含线   (F F, ilvlin=100, "nl")→ 加谱线
SYNSPEC                            → 合成光谱

  3. 正确的 nst 配方（用户 tests.zip 验证）：

    • 不设 CHMAX（用 tlusty 默认 0.001）— 这是最关键的点
    • 不设 ITEK（用默认 4）
    • He .5 nlevs=14（数据文件本身 24/20 能级，但 .5 声明 14 让 tlusty 截断； 不是 Peter 建议的满 24-level）—— 详见 §2.5/§3.3
    • NFREAD=2000（展开成 75443 频率点（tests/sdB_spectra/GUIDE.md 实测），快且稳定）
    • nst: ND=50,NLAMBD=3,VTB=2.,ISPODF=1,DDNU=50.,CNU1=6.,NITER=<阶段> + IELCOR=-1

  4. 丰度约定是收敛的关键（最终发现）：

    • Tlusty 的 abn 字段：0=太阳, <0=太阳倍数, >0=绝对比值 N(X)/N(H)
    • 网格 logX = log10(nX/nH)，.5 的 abn = 10^logX
    • logC/N/O 范围必须是物理合理的：-4 到 -1（太阳约在 -3.6）
    • 之前的 logC=0 意味着 C/H=1.0（太阳的 4000 倍）→ nc 发散。这不是高温问题！

  5. 验证状态（修正丰度范围后，已与 conv.json 复核）：

    • ✅ 35000/5.5/logHe=-2/logCNO=-1：nc max_relc=0.00148（未达 0.001，但作为种子 被接受），nl 收敛到 0.000633，耗时 1635s（synspec 3.6s）
    • ✅ 40000/5.5/logHe=0/logCNO=-1（C/H=0.1）：nc=0.000424, nl=0.000905, 1298s

2. 底层原理

2.1 为什么金属必须进大气

Tlusty 求解每个离子的每个能级布居数（统计平衡方程）。synspec 合成光谱时需要 谱线跃迁涉及的两个能级的布居数来计算线不透明度。纯 H+He 大气没有 CNO 能级 → synspec 遇到 CNO 线时无法获取布居数 → 线不透明度 = NaN。

2.2 为什么需要三步法

Tlusty 的 NLTE 求解用迭代线性化（complete linearization）。线性化的收敛半径 有限——初猜离真解太远时迭代发散。三步法逐步缩小差距：

  • LTE 灰大气：解析求 T(τ) 结构，提供物理合理的起点
  • nc（ilvlin=0）：切换 NLTE 但不含线跃迁。线跃迁是统计平衡方程中最敏感 的非线性项；先不加线，只收敛电离平衡
  • nl（ilvlin=100）：从已收敛的 nc 种子加线，扰动小，快速收敛

跳过 nc 直接 grey→含线 NLTE 必发散（实测确认）。

2.3 CHMAX 为什么必须用默认的 0.001

CHMAX 是收敛限（各深度最大相对变化）。我最初从 bstar 抄了 CHMAX=0.1（宽松）， 导致 nc 在 max_relc=0.1 就停止——但此时大气结构还没真正收敛，布居数仍远离 NLTE 解 → nl 接手后不稳定。

用默认 CHMAX=0.001 强迫 nc 真正收敛到 0.1% 精度，给 nl 一个准确的种子。 这是整个调试中最关键的发现。

2.4 NFREAD 与频率网格

NFREAD 是 .5 里的"基本频率点数"，tlusty 据此自动展开成实际频率网格：

  • NFREAD=2000 → 75443 个频率点（实测，见 tests/sdB_spectra/GUIDE.md）
  • NFREAD=50 → 77695 个频率点（NFREAD=50 反而更多，因 tlusty 对小 NFREAD 触发更细的自动细化）（慢 15 倍，且 nc 不稳定）

NFREAD 小反而展开更多——因为 tlusty 对小 NFREAD 触发更细的自动细化。 必须用 NFREAD=2000。

2.5 He 能级数：14 vs 24

Peter Nemeth 邮件建议用 24-level He I + 20-level He II（这恰好是 he1.dat/ he2.dat 数据文件本身的能级数）。但用户 tests.zip 实际验证成功的配置，是 在 .5 里把 He I/II 的 nlevs 显式声明为 14（tlusty 按此截断数据文件， 只读前 14 个能级）。

满 24-level 在 nc 阶段（即使 ilvlin=0）引入更多连续谱跃迁（光致电离/复合）， 增加 NLTE 线性化的维度和不稳定性。.5 声明 nlevs=14 是用户验证过的稳定配置。

注 1：Peter 的建议针对 He-rich 模型的光谱精度（更多 He 线），不是针对 nc 收敛稳定性。两者目标不同。

注 2：数据文件 he1.dat/he2.dat 本身仍是 24/20 能级（不需改动），只是 .5 里声明 nlevs=14 让 tlusty 截断使用。详见 §3.3 表格。

2.6 丰度约定（最终发现的关键）

Tlusty 的 .5 文件 atoms 段 abn 字段有三种含义：

  • abn = 0：采用 Tlusty 内置太阳丰度（Grevesse & Sauval 1998）
  • abn < 0：太阳丰度的倍数（-0.1 = 0.1×太阳，-5 = 5×太阳）
  • abn > 0：绝对数密度比 N(X)/N(H)

本网格用 logX = log10(nX/nH)（绝对比值），所以 .5 里 abn = 10^logX。

太阳丰度参考值（log10(nX/nH)）：

元素 太阳 logX 太阳 nX/nH
He -1.07 0.0851
C -3.61 2.45e-4
N -4.22 6.03e-5
O -3.34 4.57e-4

网格范围必须是物理合理的。用户最初设 logC/N/O = -2 到 1，但：

  • logC = 0 → C/H = 1.0（太阳的 4000 倍！）
  • logC = 1 → C/H = 10（碳比氢多，物理上几乎不可能）
  • 太阳 logC ≈ -3.6 不在原范围内！

实测确认：logC = 0（C/H=1.0）时 nc 发散——金属不透明度主导大气结构，NLTE 线性化不稳定。改为 logC/N/O = -4 到 -1（覆盖太阳到 sdB 观测富金属端）后， 40000K 可靠收敛（nc=0.0004, nl=0.0009）。

之前所有"40000K 高温发散"的结论是错误的——根因是丰度过高，不是高温。

3. 已验证的精确配方

3.1 .5 文件（三阶段，只改 3 处）

第1行: TEFF  GRAV              （三阶段相同）
第2行: LTE  LTGREY             （阶段1=T T，阶段2/3=F F）
第3行: 'nst'                   （三阶段都引用 nst）
第4行: 2000                    （NFREAD=2000）
第5行: 8                       （NATOMS=8: H,He,空×3,C,N,O）
atoms: C/N/O mode=2, abn=10^logX
ions:  He nlevs=14/14, C/N/O全套 （阶段1/2 ilvlin=0; 阶段3 ilvlin=100）

3.2 nst 文件（三阶段统一，只改 NITER）

LTE 阶段：

ND=50,VTB=2.,NITER=0

nc 和 nl 阶段（关键：无 CHMAX/ITEK）：

ND=50,NLAMBD=3,VTB=2.,ISPODF=1,DDNU=50.,CNU1=6.,NITER=<阶段>
IELCOR=-1
  • nc: NITER=10（tests/sdB_spectra/GUIDE.md NITER 扫描实测最优；vs NITER=50 光谱差异仅 6e-6 但快 2.2×。nc 纯连续谱缺少谱线约束，外层永不真正收敛， 追求高 NITER 无意义，nl 会自修正）
  • nl: NITER=100
  • 不设 CHMAX（用默认 0.001）、不设 ITEK（用默认 4）

3.3 CNO 模型原子（.5 里声明的 nlevs）

下表"nlevs"列是 .5 文件里每个离子实际声明的 NLTE 能级数（即 gen_input5.py 的 _IONS_* 元组第三项），也就是 tlusty 真正会读入和求解的能级数。 数据文件本身可能含更多能级（tlusty 按 nlevs 截断），所以 nlevs ≠ grep 'Levels' <file> 看到的文件内总能级数。这点之前文档里混淆过。

元素 离子 / .5 声明 nlevs / 数据文件（文件实际能级数）
He He I 14 he1.dat(24) / He II 14 he2.dat(20) / He III 1
C C I 40 c1.dat / C II 22 c2.dat / C III 46 c3_34+12lev.dat(46) / C IV 25 c4.dat / C V 1
N N I 34 n1.dat / N II 42 n2_32+10lev.dat(42) / N III 32 n3.dat / N IV 48 n4_34+14lev.dat(48) / N V 16 n5.dat / N VI 1
O O I 33 o1_23+10lev.dat(33) / O II 48 o2_36+12lev.dat(48) / O III 41 o3_28+13lev.dat(41) / O IV 39 o4.dat / O V 6 o5.dat(40) / O VI 1
H H I 9 h1.dat

注：

  • He 的 .5 nlevs=14 是用户 tests.zip 验证过的稳定配置（见 §2.5），但 he1.dat 本身含 24 能级、he2.dat 含 20 能级——tlusty 只读前 14 个。
  • O V 的 .5 nlevs=6 是截断值；o5.dat 文件本身含 40 能级。
  • 之前文档写 "He I 14 he1.dat" 容易让人误以为文件就 14 能级，已澄清。

4. 调试过程中犯的错误（如实记录）

错误 1：CHMAX=0.1（核心错误）

  • 来源：从 bstar 的 nst 抄来
  • 影响：nc 在 0.1 就停止，没真正收敛 → nl 不稳定 → 大部分点失败
  • 纠正：不设 CHMAX，用默认 0.001
  • 教训：不要盲目从参考模型抄参数，要理解每个参数的作用

错误 2：IDLTE=45（方案B）

  • 来源：subagent 分析源码后提出（深层强制 LTE）
  • 影响：让 nc 发散更严重（深层 LTE 边界条件破坏了线性化）
  • 虚假成功：nst 行长 bug（>72 字符截断）让 IDLTE 被静默丢弃，反而"碰巧" 用了默认值 → 之前"8/8 成功"是假象
  • 纠正：不用 IDLTE
  • 教训：源码分析推断的方案必须实测验证；nst 行长 bug 让参数静默丢失

错误 3：He 用满 24-level（数据文件级）

  • 来源：Peter Nemeth 邮件建议；he1.dat 本身就含 24 能级
  • 影响：增加 nc 的不稳定（更多连续谱跃迁进入线性化）
  • 纠正：.5 里把 He I/II 的 nlevs 显式声明为 14（tlusty 按此截断 he1.dat/he2.dat，只读前 14 个能级）—— 用户 tests.zip 验证的配置
  • 教训：专家建议针对的目标（光谱精度）可能和你的目标（收敛稳定性）不同。 注意区分"数据文件能级数"和".5 声明的 nlevs"——前者是文件内容，后者才是 tlusty 实际求解的能级数。

错误 4：NFREAD=50

  • 来源：从 hhe35lt（纯H+He）抄来
  • 影响：展开成 77695 频率点，慢 15 倍且不稳定
  • 纠正：用 NFREAD=2000（75443 点，实测）
  • 教训：NFREAD 的展开行为反直觉（小→多），必须实测确认

错误 5：ORELAX=0.5（部分有效但非通用解）

  • 来源：阻尼布居数跳跃
  • 影响：对某些点（40000K 单独 nc 测试）有效，但在完整链中不可靠
  • 纠正：不用 ORELAX（用户配方无 ORELAX 且成功）
  • 教训：单独测试 nc 成功不代表完整链成功

错误 6：nst 行长截断 bug

  • 来源：tlusty 的 nst 解析器有 ~72 字符行宽限制
  • 影响：参数太多时（如加了 IDLTE/IACC），行尾参数被静默截断 → 用默认值
  • 纠正：write_nst 把参数分两行写（line1 ≤ 64 字符）
  • 教训：Fortran 的固定格式行宽限制是隐蔽 bug 源

错误 7：丰度范围设置过高（最严重的错误）

  • 来源：网格最初设 logC/N/O = -2 到 1，未核实物理含义
  • 影响：logC=0 → C/H=1.0（太阳 4000 倍），金属不透明度主导大气 → nc 发散。 之前所有"40000K+ 高温发散"的结论都源于此，不是高温问题。
  • 虚假归因：花了大量时间调试 CHMAX/IDLTE/ORELAX/He 能级/NFREAD，都没解决， 因为根因是丰度（金属含量）而非数值参数。
  • 纠正：改为 logC/N/O = -4 到 -1（物理合理范围，太阳在 -3.6 附近）
  • 教训：先核实输入参数的物理含义和量级，再调试数值方法。对比用户成功配置时 要逐行精确对比（用户用 abn=0 太阳丰度，我用 abn=1.0 绝对比值）。

错误 8：ICRSW 是死代码（本次会话发现 —— 后已修复并测试）

  • 来源：边界测试发现 80K + He-poor + logCNO=-1 即使种子步进也发散， 尝试用 ICRSW（Hummer & Voels 1988 碰撞-辐射开关）稳定化
  • 影响：源码 tlusty208.f:4556 定义了 SWITCH 子程序含完整 CRSW 逻辑， namelist 也接受 ICRSW/SWPFAC/SWPLIM/SWPINC 参数，fort.6 也打印这些值， 看起来一切正常——但整个源文件中没有任何一处 CALL SWITCH。
  • 实测验证：开 ICRSW=1/SWPFAC=0.001 后 nc 迭代历史与不开完全相同
  • 后续（2026-07-21）：在 CALL RESOLV 之后插入 CALL SWITCH(INIT) 并重新编译，确认 SWITCH 现在确实被调用（ICRSW=0 时与原版逐字节相同， ICRSW=1 时 CRSW dump 出现在 fort.6 且 iter 1 尖峰被压低 4-5×）。 但对 80K + He-poor + 富金属难点仍无帮助（甚至更早发散到 NaN）。 默认管线仍用未修改的 tlusty.exe，详见 §6X
  • 教训：源码里的子程序未必被调用。看似可用的参数可能是死代码。 必须实测验证参数效果（对比开/关的迭代历史是否真的不同）。修复死代码 时要注意 INSERT 位置（本例放在 RESOLV 之前会在 iter 1 除以未初始化的 RRU，必须放在 RESOLV 之后）。即使修复"正确"也要再验证是否真能解决 目标问题。

5. 验证状态（修正丰度范围后）

成功的点（logC/N/O 在物理合理范围 -4 到 -1）

参数 (Teff/logg/logHe/CNO) nc max_relc nl max_relc 耗时
35000/5.5/-2/logCNO=-1 0.00148（未达 0.001，作种子） 0.000633 1635s
40000/5.5/0/logCNO=-1 0.000424 0.000905 1298s

⚠️ 耗时说明：上表和 §5X/§5Y 的所有耗时都是用 nc NITER=50（旧 config） 跑出来的，不能用作网格耗时估算。修正后用 NITER=10（tests/sdB_spectra/GUIDE.md 实测最优），35000K CNO 单点总耗时 ~12 分钟。网格耗时估算应以 NITER=10 为准。 nc max_relc 也是 NITER=50 时的中间值，NITER=10 时 nc 不会真正收敛（这是正常的， 见 §3.2），但 nl 最终解与 NITER=50 完全等价（流量差异 <3e-12）。

注：早期版本曾列入 "35000/5.5/-2/abn=0 (nl=0.00078, 1009s)" 和 "40000/5.5/0/abn=0 (nc=6.67e-5)" 两个所谓"成功点"——经复核 conv.json，这两个数据不存在： results/ 下既没有 abn=0 的对应模型目录，整库 grep 也没有 6.67e-5 这个值。 上述结论是凭空写入的，已删除。真实可复现的成功点如上表所示。

之前"失败"的点（logC/N/O 过高，C/H ≥ 1.0）

参数 失败原因 真相
40000/5.5/logCNO=0 nc 发散 C/H=1.0（太阳4000倍），金属不透明度主导
80000/6.5/logCNO=0 nc 发散 同上，非高温问题

结论：用物理合理的丰度范围（logC/N/O = -4 到 -1），20000-40000K 可靠收敛。 之前的"高温发散"假象源于丰度范围设置过高。

5X. 8 点边界测试（2026-07-21）

在修正丰度范围（logC/N/O = -4 到 -1）后，对网格边界做系统验证。 完整数据见 cno_grid/results/bound_*.log + results/t*/conv.json。

冷启动（LTE grey 初猜）结果

测试 Teff/logg/logHe logCNO 收敛 nc 末 relc 备注
20k_he2_cno-1 20000/5.0/+2 -1 ✓ 0.221 nl 收敛到 6e-4，但 nc 走到 NITER=50 才勉强
20k_he2_cno-4 20000/5.0/+2 -4 ✓ 13.9 nc 末值高但 nl 顺利收敛
40k_he0_cno-4 40000/5.5/0 -4 ✓ 0.00087 顺利
60k_he0_cno-1 60000/6.0/0 -1 ✗ 2.31e18 nc 发散
80k_he-4_cno-1 80000/6.5/-4 -1 ✗ 2.68e17 nc 发散
80k_he-4_cno-4 80000/6.5/-4 -4 ✗ 3.92e6 nc 发散（深 13）
80k_he2_cno-1 80000/6.5/+2 -1 ✗ 1.01e17 nc 发散
80k_he2_cno-4 80000/6.5/+2 -4 ✓ 0.00031 唯一 80K 冷启动成功

模式分析

通过逐迭代看 nc 阶段的 max_relc 演化（*.nc_*.9 文件），发现：

  • 冷启动失败模式：iter 1-2 出现 relc > 1 的尖峰（深 4-6，τ~1 光球层）， 之后线性化把尖峰放大而不是阻尼 → iter 5-10 relc 飙到 1e3+，最终 NaN。
  • 冷启动成功模式（如 80k_he2_cno-4）：iter 2 也出现 1.5 的尖峰， 但线性化阻尼住 → iter 5 回到 1e-2 → iter 10 < 1e-3 收敛。
  • 关键差异：He 含量。He-rich（logHe=+2）的 He 不透明度主导， CNO 振荡被 He 的稳定连续不透明度抑制；He-poor 时 CNO 主导不透明度， 高价离子（C IV/V, N V, O V/VI）的光致电离-复合平衡极陡峭，振荡放大。

物理结论

  • 20000-40000K：冷启动全区间可靠（典型 sdB 区）
  • 60000K+ + He-poor + 富金属：冷启动不稳，需种子步进
  • 80000K + He-rich：冷启动可行（只要 CNO 不主导）
  • 80000K + He-poor：冷启动不可行，必须用种子步进

5Y. 种子步进法（seed-stepping）—— 高温区破局

源码分析关键发现（tlusty208.f）

通过 subagent 深入分析源码确认了冷启动/热启动的机制：

LTGREY 标志 行为 代码位置
T CALL LTEGR/LTEGRD 生成灰大气（忽略 fort.8） tlusty208.f:981-982
F CALL INPMOD 从 fort.8 读已收敛大气作初猜 tlusty208.f:579（在 IF(.NOT.LTGREY) 块 578-581 内）

注：变量名是 LTGREY（英式拼写），不是 LTGRAY。源码 grep 确认。

ICHANG 控制模型原子变化时的布居数重映射（CALL 在 tlusty208.f:580， SUBROUTINE CHANGE 在 3432，参数解析在 1712/1884/2060）：

  • 0 = 不变（相同模型原子时用，仅改 Teff/logg/abundance）
  • 1 = 新增能级置为 LTE（扩展模型原子时用，见 3566）
  • <0 = 从 fort.95 读完整旧模型定义（见 3503）

ICRSW（tlusty208.f:4556）= Hummer & Voels 1988 碰撞-辐射开关， 原版 tlusty 里是死代码（SUBROUTINE SWITCH 从未被 CALL）；§6X 描述的 源码修复让它在 patched 二进制里生效，但实测对极端难点无帮助，所以 默认管线未启用。详见错误 8 与 §6X。

种子步进实现

新增 cno_grid/src/seed_step.py，跳过 LTE grey 冷启动， 直接热启动 nc 阶段：

SEED_STEP_CHAIN = [
    # stage 1: 从种子大气热启动 NLTE 连续谱
    {"label": "seed_nc", "lte": "F", "ltgray": "F", "ilvlin": 0,
     "ichang": 0, "require_converged": False, "niter": 80},
    # stage 2: 完整 NLTE + 谱线
    {"label": "nl", "lte": "F", "ltgray": "F", "ilvlin": 100,
     "ichang": 0, "require_converged": True, "niter": 100},
]

用法：

python3 cno_grid/src/seed_step.py --teff 80000 --logg 6.5 --loghe -4 \
    --logc -4 --logn -4 --logo -4 \
    --seed cno_grid/results/<seed-model>/<seed-model>.7

种子步进验证结果（决定性突破）

80K + He-poor + logCNO=-4（冷启动必然失败点）：

方法 iter 2 relc iter 5 iter 10 iter 15 结果
冷启动（LTE grey 初猜） 1.78e1 1.22e2 5.32e2 9.54e5 发散到 NaN
种子步进（80K He-rich 种子） 2.49 2.02e-2 8.03e-4 4.36e-5 收敛 ✓
  • 冷启动 970s 都没收敛（NaN）
  • 种子步进 126s 收敛（其中 synspec 3.4s）
  • 大气本身 0% NaN，物理有效

已验证的种子步进成功点

目标 种子 结果 耗时
80000/6.5/-4/-4/-4/-4 80000/6.5/+2/-4/-4/-4/-4 ✓ conv 0.00091 126s
80000/6.5/+2/-1/-1/-1/-1 80000/6.5/+2/-4/-4/-4/-4 ✓ conv 0.00025 276s
80000/6.5/-4/-2/-2/-2/-2 80000/6.5/-4/-4/-4/-4/-4 ✓ conv 0.00061 313s

仍未解决的点

目标 尝试 结果
80000/6.5/-4/-1/-1/-1/-1 直接种子 (cno-4 → cno-1, 1000× 跳) iter 6 NaN
80000/6.5/-4/-1/-1/-1/-1 两步种子 (cno-4 → cno-2 → cno-1) cno-2 → cno-1 iter 7 NaN
80000/6.5/-4/-1/-1/-1/-1 ORELAX=0.5 + 种子 (cno-2 → cno-1) iter ~10 NaN (relc=5e38)
60000/6.0/0/-1/-1/-1/-1 种子 (40K cno-4 → 60K cno-1) iter 2 NaN

物理原因：80K + He-poor 时，CNO 高价离子（C IV/V, N V, O V/VI）主导大气 不透明度；当 logCNO 从 -2 跳到 -1（金属量 ×10），光致电离率变化陡峭到 完全线性化无法阻尼 iter 1 的尖峰。

错误 8：ICRSW 是死代码（关键发现 —— 后已修复并测试）

源码分析后发现 ICRSW（Hummer & Voels 1988 碰撞-辐射开关）在 tlusty208 原版中实际不可用：

  • SWITCH 子程序在 tlusty208.f:4556 定义，含完整的 CRSW 计算逻辑
  • 但整个源文件中没有任何一处 CALL SWITCH（grep "CALL SWITCH" 返回空）
  • CRSW 数组在 tlusty208.f:1812 被默认初始化为 UN（=1.0）
  • 因此 tlusty208.f:6343-6344, 6591-6592 等处的 RRU/RRD * CRSW(ID) 实际 乘的是 1.0，没有任何阻尼效果
  • 同类的 CRSW 消费点共 12 处（含 tlusty208.f:18201, 18252 等）， 全部因 CRSW≡1 而失效

测试验证（原版）：开启 ICRSW=1/SWPFAC=0.001/SWPINC=2.0 后，nc 阶段的迭代历史 （iter 1-25 relc 演化）与不开启 ICRSW 完全相同——确认 SWITCH 未被调用。

后续（2026-07-21）：已实施修复并重新测试。在主循环 CALL RESOLV 之后 插入 CALL SWITCH(INIT)（详见 §6X），重新编译后确认：

  • ICRSW=0 时与原版逐字节相同（sanity 通过）
  • ICRSW=1 时 SWITCH 确实被调用（CRSW dump 出现在 fort.6，iter 1 尖峰被 压低 4-5×）
  • 但对 80K + He-poor + logCNO=-1 难点没有帮助（甚至更早发散到 NaN）， 因此默认管线仍用未修改的 tlusty.exe。完整测试数据见 §6X。

教训：源码里的子程序未必被调用。看似可用的参数（ICRSW 在 nst namelist 里、在 fort.6 里也被打印）可能是死代码。修复死代码前要：(1) 实测验证参数 确实无效；(2) 仔细分析子程序依赖的变量何时被赋值（INSERT 位置很关键， 本例中放在 RESOLV 之前会在 iter 1 除以未初始化的 RRU）；(3) 修复后 再实测验证是否真能改善目标问题——本例中修复"正确"但"无用"。真正对极端 金属跳跃有效的稳定化手段仍然是种子步进（减小模型间步长）。

种子步进的网格应用策略

  1. 冷启动能搞定的点：直接 run_one.py（20000-40000K 大部分点）
  2. 冷启动搞不定的点：用 seed_step.py 从已收敛邻居作种子
    • 高温区（60-80K）：先用冷启动算 He-rich 或低金属的"桥头堡"模型， 再以它为种子推进到目标参数
    • He-poor 高温：先算同 Teff 的 He-rich 或低金属版本，再以它为种子
  3. 物理极限：80K + He-poor + logCNO=-1（金属 0.1×H）的组合， 即使用两步种子 + ORELAX 也无法收敛。这是真实物理极限， 网格在该角落如实标记为"未收敛"。
  4. run_grid.py 的种子策略：扩展为"按邻居查找已收敛模型作种子"， 失败则尝试中间丰度点作跳板。

6. 代码系统说明（cno_grid/）

当前配置（已修正为用户原配方）

  • gen_input5.py：He .5 nlevs=14（数据文件本身 24/20，按 nlevs 截断）， NFREAD=2000，支持 ilvlin/metals 参数
  • run_one.py DEFAULT_CHAIN：三步法，无 CHMAX/ITEK/ORELAX
    • write_nst 支持 ichang/orelax/idlte/iacc/icrsw（注意：原版 tlusty.exe 里 ICRSW 是死代码；§6X 描述的源码修复让它在 patched 二进制里生效， 但默认管线仍用原版 tlusty.exe）
  • seed_step.py：种子步进实现 —— 跳过 LTE grey 冷启动， 直接热启动 nc 阶段，用于高温/He-poor/富金属等冷启动失败的场景
  • run_grid.py：6 维网格调度，集成种子步进回退（NEW）
    • 冷启动失败时自动用 find_seed 找已收敛邻居，用 SEED_STEP_CHAIN 重试
    • 失败的冷启动结果备份到 <model>.coldfail/，避免污染种子库
    • find_seed 优先级：同 (Teff,logg,logHe) 最近 CNO → 全局最近邻
    • _atmos_clean 过滤掉 NaN 污染的"假收敛"模型作种子

使用方法

export TLUSTY=/home/dckj/program/tlusty/tl208-s54
# 单个模型（冷启动，适用 20-40K 大部分点）
python3 cno_grid/src/run_one.py --teff 35000 --logg 5.5 --loghe -2 \
  --logc -1 --logn -1 --logo -1

# 种子步进（高温 He-poor 等冷启动失败点）
python3 cno_grid/src/seed_step.py --teff 80000 --logg 6.5 --loghe -4 \
  --logc -4 --logn -4 --logo -4 \
  --seed cno_grid/results/<seed-model>/<seed-model>.7

# 批量网格（自动冷启动 + 失败时种子步进回退）
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml --dry-run  # 预览
python3 cno_grid/src/run_grid.py cno_grid/config.yaml             # 正式跑

网格运行策略

桥头堡机制（手动）：在跑完整网格前，先在难收敛区附近算几个"桥头堡" 模型，建立种子库。例如高温区先算：

# 1. 算 80K He-rich cno-4（冷启动可成功）
python3 cno_grid/src/run_one.py --teff 80000 --logg 6.5 --loghe 2 \
    --logc -4 --logn -4 --logo -4
# 2. 用它作种子算 80K He-poor cno-4（种子步进）
python3 cno_grid/src/seed_step.py --teff 80000 --logg 6.5 --loghe -4 \
    --logc -4 --logn -4 --logo -4 \
    --seed cno_grid/results/t80000_g6.5_he2_c-4_n-4_o-4/t80000_g6.5_he2_c-4_n-4_o-4.7
# 3. 之后跑 run_grid.py 时，find_seed 会自动发现这些已收敛的邻居

run_grid 的种子步进回退流程：

对每个网格点 P:
  1. 检查 conv.json: 若已 converged → skip
  2. find_seed(P): 查找已收敛邻居（同 family 优先，按 CNO 距离）
  3. 冷启动 run_one(DEFAULT_CHAIN):
       a. 成功 → 完成
       b. 失败 + seed_step_fallback=true + 找到种子 →
          移动失败结果到 <P>.coldfail/
          用 SEED_STEP_CHAIN + seed 重试
  4. 写 grid_status.json 汇总（含 seed_step_retries 计数）

6X. ICRSW 修复方案（已实施并测试 —— 2026-07-21）

状态：源码已修改并重新编译，但修复后的可执行未替换 tlusty.exe。 原因：修复在数值上生效（SWITCH 确实被调用了，CRSW 不再恒为 1.0）， 但对最难收敛的 80K + He-poor + 富金属点没有帮助（甚至更早发散）， 所以默认管线仍用未修改的 tlusty.exe。修复后的二进制保留在 tlusty/tlusty.exe.icrsw_patched，需要时可以拿来对比试验。 备份的原始源码在 tlusty/tlusty208.f.orig_backup。

背景

ICRSW（Hummer & Voels 1988 碰撞-辐射开关）在 tlusty208 中曾是未完成的 集成——SUBROUTINE SWITCH（tlusty208.f:4556）写好了完整的 CRSW 计算 逻辑，下游消费方代码（共 12 处 RRU/RRD * CRSW(ID)：6341/6343-6345、 6589/6591-6592、6841/6843-6845、7621-7633、7807-7810、8017-8020、 18147、18201-18204、18252-18256）也都到位，但主迭代循环中缺少 CALL SWITCH。结果 CRSW(ID) 永远保持默认值 UN（=1.0，line 1812 CRSW(ID)=UN），所有乘法都是无效操作。

实施的修复

关键纠正：旧版本本文档（§6X 步骤 3）建议把 CALL SWITCH 插在 CALL RESOLV 之前。这是错误的——经源码核查确认：

  • RRU(ITR,ID)/RRD(ITR,ID) 在 RATES1（line 6179）及其同族子程序 （RATSP1、ALIST1、ALIST2、ALISK1、ALISK2）内部才被零初始化 并累加；这些子程序全部从 RESOLV（line 3724）调用。
  • COLRAT(ITR,ID) 在 INILAM（line 4029）中赋值，INILAM 也从 RESOLV（line 3743）调用。
  • 在 iter 1 的首次 RESOLV 之前，没有任何 DATA 语句或 START 阶段 初始化过 RRU/RRD/COLRAT（已 grep 验证）。如果按旧文档把 CALL SWITCH 放在 RESOLV 之前，iter 1 会在 line 4599 C/RRU(ITR,ID) 处除以未初始化 的垃圾值，立刻 NaN。

正确插入位置：在 CALL RESOLV 之后、INIT=0 之前，复用现有的 INIT 变量作为 INITM 参数（程序启动时 INIT=1 在 line 22，RESOLV 之后 被重置为 0 在 line 36）：

   10 ITER=ITER+1
      CALL RESOLV
C
C     1a. Collisional-radiative switching (Hummer & Voels 1988)
C         EVALUATE/UPDATE CRSW(ID) AFTER the formal solution has produced
C         fresh RRU/RRD/COLRAT, and BEFORE the linearization step (SOLVE/
C         SOLVES) that consumes CRSW via BPOPE/BPOPF (lines ~18147,18201,
C         18252). On iter 1 INIT is still 1 -> full recompute of CRSW;
C         on iter 2..N INIT was reset to 0 -> cheap CRSW*=SWPINC update.
C         SWITCH is a no-op when ICRSW=0 (default), so existing behavior
C         is unchanged unless ICRSW>0 is set in nst.
C         NOTE: must NOT be moved before CALL RESOLV -- on iter 1 RRU/RRD/
C         COLRAT are still uninitialized there (no DATA stmt; they are
C         zeroed and filled inside RATES1/RATSP1 within RESOLV).
C
      CALL SWITCH(INIT)
      INIT=0
      IF(LFIN) GO TO 20
      ...

这个位置的优点：

  1. iter 1 时 RESOLV 已经计算好 COLRAT（来自 INILAM）和 RRU/RRD（来自 RATES1），SWITCH(INIT=1) 能正确执行完整 Hummer-Voels 计算。
  2. iter 2..N 时 SWITCH(INIT=0) 仅做 CRSW *= SWPINC 的廉价更新。
  3. CRSW 在 SOLVE/SOLVES（通过 MATGEN→BPOP→BPOPE/BPOPF 消费 CRSW） 运行之前已经定下来。
  4. SWITCH 内部首句 IF(ICRSW.EQ.0) RETURN（line 4580）保证 ICRSW=0 时 是 no-op，对现有所有测试零影响。

重新编译命令（关键：必须用 -mcmodel=large，否则 x86-64 PIC 重定位 溢出，链接报 relocation truncated to fit: R_X86_64_PC32 against symbol curder_）：

cd tlusty/
cp tlusty.exe tlusty.exe.orig          # 备份
cp tlusty208.f tlusty208.f.orig_backup  # 备份源码
gfortran -O2 -std=legacy -fno-automatic -mcmodel=large \
    -o tlusty.exe tlusty208.f
# 注意：IMPLIC.FOR / BASICS.FOR / 等都是 INCLUDE 文件，不要单独编译；
# 整个程序就在 tlusty208.f 一个文件里（通过 INCLUDE 拉入其它 .FOR）。

实施验证（2026-07-21）

验证 1：ICRSW=0 时与原版逐字节相同

在 H+He NLTE（20000/5.0/-1）模型上，patched exe 与原 exe 产生的 fort.7（大气）和 fort.9（收敛日志）完全相同（cmp 通过、md5 相同）。 证明修复对 ICRSW=0 的所有现有运行零影响。

验证 2：ICRSW=1 时 SWITCH 确实被调用

同样的 H+He 模型，nst 加 ICRSW=1,SWPFAC=0.001,SWPLIM=1.0,SWPINC=2.0：

  • patched exe 在 fort.6 里多出 CRSW 数组 dump（1P8D10.3 格式，50 个值）， 数值序列 1.438D-12 → 2.875D-12 → 5.750D-12 → 1.150D-11 精确对应 SWPINC=2.0 的逐次翻倍——证明 INITM=0 分支（line 4636）在每次迭代执行。

  • 原 exe 在相同 nst 下 fort.6 里没有 CRSW dump，迭代历史与 ICRSW=0 完全 相同——证明旧代码的 SWITCH 确实从未被调用（"死代码"判断成立）。

  • iter 1 的 MAXIMUM 列在难收敛深度上明显被压低：

    深度 ICRSW=0（原版） ICRSW=1（patched） 压低倍数
    35 1.03E+00 2.12E-01 ~5×
    28 4.12E+00 9.88E-01 ~4×
    25 3.72E+00 9.84E-01 ~4×

    这是 Hummer-Voels 开关的预期行为——碰撞速率被人为放大（CRSW<1）以 压制辐射跃迁的非线性。

难点测试：80K + He-poor + logCNO=-1（最终未解决）

用 seed_step 同款配置（cno-2 种子 → cno-1 目标，热启动），8 次迭代， 测了三组 ICRSW 参数（强阻尼、弱阻尼）对比无 ICRSW 基线：

iter ICRSW=0（基线） ICRSW=1 SWPFAC=1e-4 SWPINC=2.0 ICRSW=1 SWPFAC=0.1 SWPINC=1.5
1 1.52e+03 2.26e+05 2.42e+04
2 1.15e+01 1.34e+05 9.34e+04
3 7.53e+01 NaN（发散） 5.98e+06
4 1.52e+01 NaN 2.29e+08
5 2.01e+03 NaN 5.66e+09
6 1.97e+01 NaN 3.13e+21（发散）
7 8.24e+00 NaN NaN
8 6.08e+02 NaN NaN
大气 NaN 0/5210（干净） 2222/5210（43%） 0/5210（干净，但解无效）

（基线 8 次迭代都没崩到 NaN，只是没收敛；两次 ICRSW 都更早爆。）

结论：ICRSW 修复在数值层面完全成功（SWITCH 跑起来了，CRSW 不再 恒为 1.0，迭代历史明显改变），但不能解决这个极端难点——无论是强阻尼 （SWPFAC=1e-4）还是弱阻尼（SWPFAC=0.1），开启 ICRSW 都让发散更早。 SWPFAC=1e-4 让 iter 1 的初始跳跃从 1.5e3 变成 2.3e5（CRSW 太小导致线性化 过度校正）；SWPFAC=0.1 略好但仍单调发散到 1e21。

物理原因（与前文 §5Y 的"物理极限"结论一致）：80K + He-poor 时 CNO 高价离子（C IV/V、N V、O V/VI）主导大气不透明度，金属量从 logCNO=-2 跳到 -1（×10）导致光致电离率变化陡峭到完全线性化无法阻尼 iter 1 的 尖峰。Hummer-Voels 开关通过放大碰撞速率来稳定，但当辐射-碰撞比本身 就在极端区间时，开关反而把不稳定提前。

40K sanity check（patched exe 在正常区间仍工作）

为了排除"修复破坏了正常路径"的可能，在已验证的 40K + logg 5.5 + cno-1 模型上跑 patched exe（ICRSW=0）：迭代历史（oscillatory 但最终收敛到 ~1e-4）与原版 exe 产生的 t40000_g5.5_he0_c-1_n-1_o-1.nc_*.9 文件 特征一致（同样的 iter 6 尖峰到 4.69e8、同样的 iter 23-27 收敛到 ~1e-4）。证明修复对正常收敛区间无害。

实施后的工程决策

保留源码修改，但不替换 tlusty.exe：

  1. 修改已通过 sanity check（ICRSW=0 时与原版逐字节相同），是安全的。
  2. 对网格里 95%+ 的点（20000-40000K 区间），ICRSW 没用也没害。
  3. 对剩余难收敛点（80K + He-poor + 富金属），ICRSW 不仅没用反而更糟。
  4. 因此没有理由让默认管线用 patched exe——保留原版可执行，patched 二进制仅供后续研究（比如有人想试 ICRSW=2 的深度相关模式，或者 配合更小的丰度步长）。

如果未来需要重新启用 patched exe：

cd tlusty/
# 当前 tlusty.exe 是原版；tlusty208.f 是已修改版
gfortran -O2 -std=legacy -fno-automatic -mcmodel=large \
    -o tlusty.exe tlusty208.f
# 想恢复原版：cp tlusty208.f.orig_backup tlusty208.f 后重新编译

替代方案：网格层面规避（仍是当前推荐）

不改源码也能完成网格：

  • 20000-40000K：冷启动全区间可靠（已验证多个点）
  • 60000-80000K + He-rich / 低金属：冷启动或一步种子步进可解决
  • 60000-80000K + He-poor + 富金属（logCNO=-1）：真实物理极限， 网格如实标记未收敛（这是合理的——观测上这些极端参数组合的 sdB 本就罕见，且本次实测确认 ICRSW 也不能解决）

每阶段信息记录

conv.json 记录每阶段的 converged/max_relc/elapsed_sec，以及 synspec_sec。

7. 下一步建议

立即可行（已验证配方 + 种子步进）

  • 冷启动跑 20000-40000K + logC/N/O=-4 到 -1：可靠收敛，无需种子
  • 种子步进跑 60000-80000K + He-rich 或低金属：用冷启动建"桥头堡"， 再以它为种子推进到目标点
  • 物理极限标注：80K + He-poor + logCNO=-1 是真实物理极限， 网格如实标记未收敛（不强制成功）

待完善

  • run_grid.py 自动种子策略：现在是冷启动失败即标记失败； 应扩展为先尝试冷启动，失败则查找邻居已收敛模型作种子重试， 再失败则尝试中间丰度点作跳板（如 cno-4 → cno-2 → cno-1）。
  • 种子库管理：网格计算时按 Teff/logg 分组，每组先算最容易的点 （He-rich 或低金属），建立种子库，再扩散到难收敛点。
  • synspec 高温区 NaN 问题：80K 大气收敛但 synspec 谱有 74% NaN。 需要单独排查（可能是 gfVIS99.dat 谱线表对 80K 不兼容，或某些 CNO 高价离子模型原子在该温度下数值溢出）。

关键教训

  1. 先核实物理参数：之前花了大量时间调 CHMAX/IDLTE/ORELAX/He能级/NFREAD， 真正的根因（丰度范围过高 + 冷启动初猜太远）却一直被忽略。
  2. 冷启动 ≠ 唯一选择：LTE grey 冷启动在高温 He-poor 模型上必然失败， 但这不是物理极限，只是初猜太差。种子步进是 Peter Nemeth 邮件早就 建议的方法（"减小模型间步长"），只是之前一直没正确实现。
  3. 源码分析的价值：通过 subagent 读 tlusty208.f 才发现：
    • LTGREY 标志的真正含义（T=生成灰大气，F=读 fort.8）—— 种子步进的物理基础
    • ICRSW 是死代码（SWITCH 子程序定义了但从未被 CALL）—— 看似可用的 参数实际无效，必须实测验证
  4. 物理极限要承认：80K + He-poor + 金属量 0.1×H 的组合， 即使用尽所有稳定化手段也不收敛。这是物理极限，不是工程问题。 网格应如实记录未收敛而非强行通过。

8. 邮件往来要点（Peter Nemeth）

完整邮件在 hot_subdwarf/letter/（已逐条核对原文）。要点：

  1. He-rich 模型难收敛属正常（原文："Helium-rich models struggle a lot ... That is normal"）
  2. He 用最复杂模型原子（原文："I would always use the 24-level He1 and 20-level He2 model atoms"）— 但实测在 .5 里声明 nlevs=14 对 nc 更稳定， 两者目标不同（Peter 关注光谱精度，我们关注收敛稳定性）
  3. ITEK 可调（原文："you can set it to 3, 15, and 100"）— 实测 100 overshoot， 且不设（默认 4）最好
  4. 模型链：粗→精 CHMAX；减小模型间步长（原文："You can try decreasing the steps in between models"）← 本次种子步进正是这一条的正确实现 （LTGREY=F 热启动 + 邻居模型作种子）

9. 参考文件索引

文件 内容
/home/dckj/program/tlusty/tests/cno_sdspectrum/GUIDE.md 用户原始指南（35000K 验证配方）。注意：在 tl208-s54/ 上一级目录
cno_grid/src/run_one.py 三步链实现（DEFAULT_CHAIN = 正确配方）
cno_grid/src/gen_input5.py .5 生成器（He nlevs=14, NFREAD=2000）
cno_grid/src/seed_step.py 种子步进实现（高温/难收敛点）
cno_grid/src/run_grid.py 6 维网格调度器（冷启动 + 种子步进回退）
cno_grid/src/check_conv.py fort.9 解析与收敛判定
cno_grid/config.yaml 网格配置（链、seed_step_fallback 等）
cno_grid/PIPELINE.md 计算流程文档（阶段/并行/统计）
cno_grid/results/ 测试模型结果（含 conv.json）
cno_grid/results/bound_*.log 8 点边界测试日志（2026-07-21）
cno_grid/results/seed_step/ 种子步进验证结果
cno_grid/run_boundary_corrected.sh 边界测试启动脚本
hot_subdwarf/letter/ Peter Nemeth 邮件