CC BY
37
нейтральным к их психическим особенностям. Программное обеспечение компьютерного рейтинга должно быть таковым, чтобы его реализация была возможна как на отдельных компьютерах (даже класса 1ВМ-386), так и объединённых в сеть. Математические тесты лучше всего составляются в издательской системе 1_ДТЕХ, поэтому программа изготовления тестов должна быть с ней совместима. Оболочка теста предусматривает все мыслимые возможности выбора сценария, а также режимы контроля и обучения. Интерфейс тестирования должен реализовываться таким образом, чтобы протестироваться на отлично мог человек, впервые севший за компьютер. База данных должна анализировать и хранить информацию; обеспечивать её защиту; сохранять целостность структуры данных и выполнять определенные запросы. Вся эта программа действий была составлена на кафедре математики ИрГТУ и в настоящее время система компьютерного рейтинга является составной частью процесса обучения.
Следует отметить, что внедрение информационных технологий на кафедре математики созданием системы компьютерного рейтинга не закончилось. Слабая подготовка школьников привела к идее создания сайта кафедры математики, на котором абитуриент или студент могли самостоятельно проверить уровень математической подготовки, начиная с шестого и заканчивая одиннадцатым классом. Более того,
Библиографический список
1. Власов В.Г., Кузнецов А.А., Власов А.В. Изготовление тестов по математике и обработка результатов тестирования // Третий сибирский конгресс по прикладной и индустриальной математике, посвященный памяти С.Л.Соболева (1908-1989): тезисы докладов. Новосибирск: Изд-во Института математики СО РАН, 1998. Ч.У. С.136.
2. Власов В.Г., Власов А.В., Кузнецов А.А. Компьютерный рейтинг в образовательном процессе // Информационные технологии в управлении и учебном процессе вуза: мате-
специально для этого сайта были созданы и размещены тесты по 8 разделам высшей математики, с похожими на экзаменационные, но другими вопросами и ответами. Важно отметить, что для этого сайта был создан несколько иной сценарий тестирования. Если в системе компьютерного рейтинга реализован режим экзамена, то здесь - режим обучения. Принципиальное отличие его состоит в том, что учащийся не может перейти к следующему вопросу, пока он правильно не ответит на предыдущий. Компьютер учитывает все неверные попытки ответов и по окончании 15 минут даёт оценку подготовки учащегося. Алгоритм оценки построен таким образом, чтобы оценка в режиме обучения была максимально близкой к оценке в режиме экзамена. Помимо оценки своих знаний в ходе проходящего тестирования, учащийся узнаёт, какой ответ из предложенных пяти был правильным. Для самоконтроля процесса изучения математики для первокурсников и школьников (с 6 по 11 класс) был создан сайт http://www.mathtest.ru/, на котором реализован сценарий тестирования в режиме обучения.
Сайт, который призван помочь школьнику и студенту, оказался востребованным, на что, в частности, указывает высокий индекс цитирования на Яндексе, достигающий в отдельные месяцы 190. В настоящее время проводится его дальнейшая разработка и модернизация.
риалы II Всерос. науч.-практ. конф. Владивосток, 2001. С. 49-50.
3. Власов В.Г., Власов А.В. Каким быть единому государственному экзамену? Интернет-журнал «Русский переплёт», 2001. Режим доступа:
http://www.pereplet.ru/text/vlasov03noy01.html
4. Власов А.В. Программа РюТЕХ для изготовления математических рисунков в 1_ДТЕХе // Студент и научно-технический прогресс. Информатика: материалы XXXIV Международ. науч. студ. конф. Новосибирск, 1996. С. 69.
УДК 535.247.4
ЛАБОРАТОРНЫЙ ФОТОМЕТР ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛАБОГО СВЕЧЕНИЯ ВОДНЫХ СРЕД
В.И.Добрынин1, А.Е.Краснояров2, А.Г.Ченский3
Физико-технический институт Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработан лабораторный фотометр для исследования свечения жидких прозрачных сред с пороговой чувствительностью порядка 10-4 фотон/с-см . В отличие от прототипа [1, 2], в новом приборе объем исследуемой пробы увеличен до 25 л, применены два фотоэлектронных умножителя: отечественный ФЭУ-143 и ХР3540 производства группы компаний РНОТОКНБ, процесс измерения автоматизирован. Результаты измерений в режиме реально-
1Добрынин Виктор Иванович, кандидат физико-математических наук, ведущий специалист, тел.: 89526337815, e-mail: [email protected]
Dobrynin Viktor Ivanovich, Candidate of Physics and Mathematics, leading expert, tel.: 89526337815, e-mail: [email protected]
2Краснояров Александр Евгеньевич, аспирант, тел.: 89641128368, e-mail: [email protected] Krasnoyarov Alexander Evgenievich, postgraduate student, tel.: 89641128368, e-mail: [email protected]
3Ченский Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, зав. кафедрой радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89086612947, e-mail: [email protected]
Chensky Alexander Gennadievich, Candidate of Physics and Mathematics, Head of the chair, tel.: 89086612947, e-mail: [email protected]
го времени выводятся в цифровом и графическом видах на экран персонального компьютера и записываются в файл. Фотометр предполагается использовать для исследования характеристик и природы свечения байкальской воды [1-5].
Ил. 2. Табл. 1. Библиогр. 7 назв.
Ключевые слова: свечение; фотометр; метод счета фотонов; автоматизация; микроконтроллерная техника.
LABORATORY PHOTOMETER TO STUDY WATER MEDIA WEAK LUMINESCENCE V.I. Dobrynin, A.E.Krasnoyarov, A.G. Chensky
Physical and Technical Institute, Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors developed the luminescence laboratory photometer to study the luminescence of liquid transparent media with a threshold sensitivity of about 10-4 photon/s cm . Unlike the prototype [1,2], the new device has the increased volume of the sample up to 25 litres. Two photo-electronic multipliers- the domestic FEU-143 and XP3540 produced by PHOTONIS companies- are applied. The measurement process is automated. The results of measurements are displayed on-line in the numerical and graphical form on the screen of a personal computer and stored in a file. Photometer is supposed to be used to study the characteristics and nature of the Baikal water luminescence [1-5]. 2 figures. 1 table. 7 sources.
Key words: luminescence; photometer; method of photon counting; automation; microcontrolling equipment.
В ходе работ по исследованию фоновых условий глубоководной регистрации мюонов и нейтрино на озере Байкал было обнаружено явление свечения водной среды [3]. Основные характеристики явления изучались с помощью высокочувствительной аппаратуры, позволяющей проводить измерения в натурных и лабораторных условиях. Для регистрации слабого свечения байкальской воды применялись фотоэлектронные умножители (ФЭУ) в режиме счета фотонов. Порог регистрации потока фотонов обусловлен параметрами используемых ФЭУ. Появление в настоящее время ФЭУ с большей площадью фотокатода, высоким квантовым выходом, малым и стабильным уровнем темнового тока позволяет разработать более чувствительную аппаратуру. Повышение чувствительности необходимо для уточнения характеристик и определения природы свечения байкальской воды. Чувствительность лабораторного фотометра по сравнению с имеющимися аналогами повышена на два порядка величины.
Конструктивно фотометр выполнен в виде свето-мерной сферы, внутри которой помещен прозрачный
СД1 СД:
сосуд с исследуемой жидкостью. ФЭУ находятся в оптическом контакте с исследуемой средой и регистрируют излучение в диапазоне 380+650 нм. Отражающее покрытие стенок сферы (МдО) позволяет собирать на фотокатод ФЭУ до 50% излучаемых фотонов. Для контроля темновых шумов ФЭУ и фонов конструктивных элементов интегрирующей сферы производится периодическая перекачка жидкости в буферную емкость при помощи водяного насоса. В буферной емкости установлены датчики кислорода, температуры и другие устройства, необходимые для проведения экспериментов (нагревательный элемент, бар-батёр для продувки газами, дозатор и пр.). Элементы фотометра изолированы от внешней засветки, имеют электромагнитную экранировку. Для поддержания температуры исследуемой пробы около 4°С фотометр устанавливается в термостат. Предусмотрена также возможность стабилизации температуры фотометра при помощи встроенной системы водяного охлаждения.
Функциональная схема фотометра (рис. 1) состоит из ФЭУ, двух усилителей-дискриминаторов АМР-601
Рис. 1. Функциональная схема фотометра
(«Спецприбор», г. Минск), датчиков температуры □Б18В20 (ДТ1, ДТ2), светодиодов (СД1, СД2), микроконтроллерной платы регистрации и управления (МКП), источников питания ФЭУ и электронной аппаратуры (+HV1, +HV2 и ИП1, ИП2 соответственно), персонального компьютера (ПК).
ФЭУ работают в импульсном режиме. Усиленный сигнал с анода ФЭУ (Ки = 100) подается на вход дискриминатора с регулируемым порогом. В процессе калибровки порог дискриминатора устанавливается в «долине» амплитудного распределения однофото-электронных импульсов ФЭУ. Тем самым достигается существенное подавление шумов динодной системы при сохранении высокой эффективности регистрации однофотоэлектронных импульсов. Дискриминатор формирует ТТ1_ импульсы длительностью 50 нс. Сформированные импульсы поступают на вход платы регистрации. Плата регистрации позволяет определять потоки импульсов ФЭУ в широком диапазоне времен усреднения ^ = 1+104 с). Таким образом, в фотометре реализован метод счета фотонов [6].
Плата регистрации и управления (МКП) выполнена на основе микроконтроллера Р1С18Р4520. Она состоит из следующих функциональных узлов (рис. 1): схемы временных совпадений импульсов (СС), счетчиков импульсов (СЧ1 - СЧ3), таймера (ТМ), источников тока (ИТ1, ИТ2), источника питания ИП2, модуля последовательной связи ивАРТ с персональным компьютером (ПК) по интерфейсу Рв-232.
Выбор микроконтроллера Р1С18Р4520 обусловлен наличием в нем достаточного набора периферийных модулей, большим объемом программной памяти и быстродействием.
Схема временных совпадений импульсов используется для контроля стабильности светосбора, ФЭУ и электронного тракта по черенковскому излучению релятивистских заряженных частиц (естественный радиационный фон) в исследуемой среде. Для выравнивания времен прихода импульсов, вызванных одновременной импульсной засветкой обоих ФЭУ, применяется кабельная линия задержки (ЛЗ) в «быстром» канале. Схема совпадений реализована на микросхеме трехвходового логического «И» серии 74НСТ. На два входа СС подаются импульсы с выходов дискриминаторов, на третий - сигнал разрешения. Минимальное время перекрытия импульсов в СС - 10 нс.
В качестве счетчиков 1 и 2 используются периферийные модули микроконтроллера. Счетчик 3 реализован на микросхеме 74НС393. Информация со счетчика считывается одним из портов ввода/вывода микроконтроллера. Временные интервалы набора импульсов Дt для счетчиков 1-3 задаются таймером микроконтроллера. Источником опорной частоты для таймера служит кварцевый генератор Р = 25 МГц. Аппаратным делением Р понижается до значения f = 250 Гц. Тактовая частота f используется для программного формирования временных интервалов. Относительная погрешность задания временных интервалов
- 8д <2-10"3 %.
При калибровке ФЭУ и контроле стабильности электронного тракта применяются светодиоды, питаемые типовым стабильным током 10 мА. Источником тока служит микросхема линейного стабилизатора LM7805. Световой поток ослабляется до необходимого уровня при помощи нейтральных светофильтров. Дрейф системы регистрации фотометра за период 3 суток при измерениях с данным источником света составил менее 3%. Основным фактором наблюдаемого дрейфа являлось изменение температуры в термостате (±2°С).
Для оперативного контроля температуры пробы и термостата используются цифровые датчики DS18B20 с разрешением 0,1°С. Взаимодействие микроконтроллера с датчиками DS18B20 осуществляется по протоколу 1-Wire, который реализован программно. Опрос датчиков температуры производится по окончании каждого временного интервала набора импульсов ФЭУ.
Программное управление микроконтроллером и передача данных на ПК осуществляется через последовательный интерфейс RS-232. Связь осуществляется с COM - портом компьютера. Для согласования уровней сигналов используется микросхема MAX232. Использование последовательного интерфейса обусловлено относительной простотой программной и аппаратной реализации. Применение типового преобразователя RS-232/USB позволяет решить проблему совместимости с различными типами ПК.
Управление и наблюдение за процессом измерения осуществляется оператором через компьютерный интерфейс (рис. 2). В режиме реального времени на экране ПК отображается графические и числовые значения измеряемых величин. В поле ввода "Time of averaging" задается временной интервал At. По окончании каждого временного интервала набора данные передаются микроконтроллером на ПК в виде пакета определенной структуры и записываются в файл. Помимо данных, поступающих с фотометра, в файле фиксируется дата, системное время и вспомогательная информация. Файл имеет текстовый формат, что удобно для дальнейшей обработки. Программа для ПК написана в среде графического программирования LabVIEW 8.6 [7].
Программа микроконтроллера осуществляет калибровку, цикл измерений, формирует и передает пакеты данных. Язык разработки программы микроконтроллера - MPLAB С.
Проведена калибровка и тестовые испытания фотометра. Определены параметры его долговременной стабильности и фотометрические характеристики (таблица). Показана возможность измерений предельно слабых квазистационарных световых потоков.
В дальнейшем планируется дополнить микроконтроллерную плату регистрации и управления фотометра амплитудным анализатором, регуляторами высокого напряжения и порога дискриминаторов, системой передачи данных на удаленный компьютер и управлением через Internet.
Рис. 2. Интерфейс лабораторного фотометра
Основные характеристики лабораторного фотометра
Характеристика Значение
Спектральный диапазон 380 + 650 нм
Динамический диапазон измерения потока однофотоэлектронных импульсов ФЭУ 1 + 106 с-1
Относительная погрешность измерений квазистационарных световых потоков <1%
Долговременная нестабильность системы регистрации < 3%
Разрешение датчика температуры 0,1 оС
Время усреднения данных 1 с + 1 ч
Погрешность задания временных интервалов < 20 мкс
Период непрерывной работы > 30 суток
Порог регистрации: экспериментальный теоретическая оценка 1 импульс-с"1
5-10"2 у-с^-см-2, 10-4 у-с^-см-3
Таким образом, разработан лабораторный фотометр для исследований слабоинтенсивного свечения водных сред. Основными преимуществами фотометра в сравнении с аналогами являются: низкий порог реги-
страции (10-4 у с_1-см"3); система термостабилизации; два канала с возможностью контроля стабильности аппаратуры; автоматизированный процесс калибровки, измерений и записи данных; удобный интерфейс.
Библиографический список
1. Добрынин В.И., Скурлатов Ю.И., Буднев Н.М. К вопросу о природе свечения водной среды озера Байкал // Химическая физика. 1990. Т. 9, № 2. С. 212-217.
2. Добрынин В.И. Свечение водной среды как источник фона для нейтринных телескопов на озере Байкал: дис. ... канд. физ.-мат. наук. М: Ин-т ядерных исследований РАН, 1993. 132 с.
3. Безруков Л.Б., Буднев Н.М., Гальперин М.Д. и др. О свечении глубинных вод оз. Байкал // Док. АН СССР. 1984. Т. 277, № 5. С. 1240-1244.
4. Безруков Л.Б., Буднев Н.М., Гресс О.А. и др. Свечение водной среды оз. Байкал - инструмент исследования динамики озера // Известия АН. Физика атмосферы и океана, 1998. Т. 34, № 1. С. 97-103.
5. Добрынин В.И. Свечение водной среды озера Байкал и экологический мониторинг // Мониторинг и оценка состояния Байкала и Прибайкалья. Л.: Гидрометиоиздат, 1991. С. 7985.
6. Гулаков И.Р., Холондырев С.В. Метод счета фотонов в 7. Евдокимов Ю.К., Линдваль В.Р., Щербаков Г.И. LabVIEW оптико-физических измерениях. Минск: Изд-во «Универси- для радиоинженера: от виртуальной модели до реального тетское», 1989. 256 с. прибора. М.: ДМК Пресс, 2007. 400 с.
УДК 54.03, УДК 612.744.16, УДК 549.623.53 ОСОБОЕ СОСТОЯНИЕ ВОДЫ В МИНЕРАЛАХ
Т.И.Шишелова1, А.Н.Коновалова2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматривается особое состояние воды и ее влияние на свойства минералов. Основное внимание уделено связанной воде в природных слюдах, аквамарине, турмалине. Предлагается классификация воды в минералах по величине ее энергии связи с поверхностью минералов. Определена ориентация структурных OH групп и уточнена структура флогопита. Особое состояние воды в минералах позволяет использовать ее для оценки качества минерала. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: вода; минерал; ИК-спектры; слюда; аквамарин; турмалин.
SPECIFIC STATE OF WATER IN MINERALS T.I. Shishelova, A.N. Konovalova
National Research Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The authors deal with the specific condition of water and its effect on the properties of minerals. The emphasis is placed on the bound-water in natural micas, aquamarine, tourmaline. The authors classify the water in minerals according to the amount of its connection energy with the mineral surface. They determine the orientation of structural OH groups and specified the structure of phlogopite. The specific state of water in minerals enables to use it for the assessment of mineral quality. 3 sources.
Key words: water; mineral; infrared spectra; mica; aquamarine; tourmaline.
Вода самое необычное вещество на планете. Обыкновенной воды в природе нет. Она всегда необыкновенная и разная. За счёт сильной водородной связи все молекулы воды связаны друг с другом довольно хорошо. Взаимное приближение между молекулами приводит к уменьшению размера сложной молекулы воды. Такое необычное строение обуславливает её необычные свойства и, конечно, своеобразное состояние воды в минерале, причём в каждом минерале - оно разное. Вода в значительной мере влияет на свойства минералов иногда в лучшую сторону, иногда ухудшает их характеристики.
Вода в минералах может находиться в свободном и связанном состояниях. Свободная вода легко перемещается по порам, трещинам и обладает обычными для неё физическими свойствами. Связанная вода испытывает со стороны элементов, образующих минерал, влияние сил разной интенсивности, которые придают ей аномальные свойства. Вода играет большую роль в развитии многих геологических процессов, в формировании свойств различных горных пород.
Часто возникает необходимость определить, какие именно группировки входят в состав минерала ОН, Н2О или ОН3, каково их количество, с какими атомами минерала эти группировки связаны, до какой
температуры они устойчивы и т. д. Эти вопросы можно решить физико-химическими методами исследования. Но наиболее применим в данном случае метод ИК-спектроскопии. Этот метод наиболее прост для исследования воды в минералах.
Зная количество и вид различных группировок ОпНт в слюдах, можно заранее предсказать их физико-химические свойства.
Слюда относится к классу силикатов и характеризуется совершенной спайностью - способностью расщепляться на тонкие пластинки с молекулярно ровной поверхностью. При раскалывании кристалла слюды образуются расслоения, покрытые сеткой из хаотично расположенных ионов калия К+ , которые выступают в роли активных центров адсорбции полярных молекул воды из окружающей среды. Потенциальная энергия молекул адсорбированной воды в таком поле намного больше средней энергии их тепловых колебаний, поэтому под действием поля поверхности минерала происходит изменение структуры водной пленки [1].
В тонких пленках между слоями минерала можно проследить за поли- и монослоями, то есть почти до нано-размерного состояния. Естественно, эта связанная вода будет аномальна, т.е. не похожа на обычную воду.
1Шишелова Тамара Ильинична, доктор технических наук, профессор кафедры физики, тел.: (3952) 430353. Shishelova Tamara Ilinichna, Doctor of technical sciences, professor of the chair of Physics, tel.: (3952)430353.
2Коновалова Анастасия Николаевна, аспирант, e-mail: [email protected] Konovalova Anastasia Nikolaevna, postgraduate, e-mail: a.konovalova85 @ gmail.com
