CC BY
3мы; к - коэффициент пропускания оптической системы, т.е. отношение мощности лазерного излучения, попавшего на фотодиод, к мощности выходящего из лазерной системы света. Коэффициент пропорциональности, опущенный в (1), определяется с точностью до числового множителя величиной сопротивления нагрузочного резистора в предусилителе и чувствительностью фотодиода. Необходимо отметить, что чувствительность оптического датчика не зависит от расстояния между кантилевером и фотодиодом, а произведение кР в числителе правой части (1) представляет собой мощность излучения, попавшую на фотодиод. Из (1) видно, что при уменьшении угловой апертуры лазерной системы чувствительность датчика возрастает. Одновременно возрастает и вклад в шумы системы регистрации, обусловленный паразитными блужданиями пучка, делая тем самым соотношение сигнала к шуму неизменным. В то же время с уменьшением угловой апертуры увеличивается размер лазерного пятна на кантилевере. Так, например, в случае гауссова пучка для его полуширины a можно записать
a = —, (2)
Пф
где X - длина волны лазера.
Для упрощения анализа лазерное пятно считается равномерно засвеченным квадратом со стороной 2а, центр которого совпадает с центром кантилевера. Когда размер пятна превосходит ширину кантилевера, часть мощности падающего пучка теряется. Если w < 2a < l, где w и l -ширина и длина кантилевера соответственно, то при увеличении a величина мощности отраженного от кантилевера пучка падает линейно и из (1) и (2) видно, что чувствительность системы остается постоянной. В этом случае кантилевер начинает играть роль диафрагмы, вырезая из всего распределения интенсивности в пучке наиболее пологую часть, уменьшая тем самым влияние паразитных блужданий и уровень вызванных ими шумов. При дальнейшем уменьшении угловой апертуры лазерной системы (т.е. при увеличении размера пятна на кантилевере), когда 2a > l, мощность излучения, попавшего на фотодиод, уменьшается квадратично, и чувствительность системы линейно падает.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что оптимальное значение апертуры лазерной системы следует искать в диапазоне, где размер лазерного пятна на кантилевере удовлетворяет условию w < 2a < l. С точки зрения рассмотренной упрощенной модели в тех случаях, когда основной вклад в шумы обусловливается поперечными блужданиями лазерного пучка, следует выбирать апертуру таким образом, чтобы пятно в продольном направлении максимально покрывало кантилевер. В качестве поправки необходимо учитывать, что изгиб кантилевера вдоль его длины не является однородным. В случаях, когда позиционные шумы лазера малы по сравнению с дробовыми шумами фотодиода, следует выбирать апертуру таким образом, чтобы размер пятна был равен ширине кантилевера. Все это учитывалось при разработке системы регистрации отклонений кантилевера для сверхвысоковакуумного АСМ платформы На-нофаб 100 производства ЗАО «Нанотехнология МДТ». Выбор угловой апертуры задавался расстоянием между лазером и кантилевером. Согласно (2) расчет показывает, что оптимальные расстояния от лазерной системы до кантилевера лежат в пределах 140-420 мм (апертуры равны при этом 0,015 и 0,005 соответственно). Экспериментально минимум шумов наблюдается при расстояниях 200-250 мм. Шумы разработанного датчика изгибов в полосе до 1 кГц составили 0,02 нм. Эффективность использованного подхода подтверждается сравнением при прочих равных условиях полученного уровня шума с уровнем шумов прототипа - измерительной головки «Смена» производства ЗАО «Нанотехнология МДТ», для которой при использовании аналогичной оптической схемы уровень шума составляет 0,04 - 0,05 нм.
Таким образом, проанализировано влияние угловой апертуры лазерной системы на шумовые характеристики и чувствительность датчика изгибов кантилевера АСМ. Предложенная методика позволяет в зависимости от природы основной составляющей шума датчика выбрать оптимальное значение апертуры. Данный подход может быть дополнен другими методами снижения шумов, такими как термостабилизация и высокочастотная модуляция лазера.
Литература
1. Bhushan B. Handbook of Nanotechnology. - Berlin. - Heidelberg: Springer-Verlag, 2004.
2. Development of low noise cantilever deflection sensor for multienvironment frequency-modulation atomic force microscopy / Fukuma T., Kimura M., KobayashiK. et al. // Review of Scientific Instruments. - 2005. - Vol. 76. - 053704.
3. Бауков В.В., Беляев А.В., Жижимонтов В.В., Быков В.А Применение диафрагмирования для снижения шумов в оптической системе регистрации атомно-силового микроскопа // ПЖТФ. - 2007. - Т.33. - Вып. 13. - С. 40.
Поступило 12 мая 2009 г.
Поляков Вячеслав Викторович - аспирант кафедры микроэлектроники Московского физико-технического института (государственного университета). Область научных интересов: сканирующая зондовая микроскопия: разработка СЗМ-методик и зондовых микроскопов, в том числе для использования в составе кластерных сверхвысоковакуумных систем. Применение методов СЗМ (сканирующая емкостная микроскопия, метод зонда Кельвина) для контроля параметров полупроводниковых структур. E-mail: polyakov@ntmdt.ru
УДК 621.382.825
Программный комплекс для автоматизированной системы мониторинга экологического состояния на предприятии
С.Б.Беневоленский, А.А.Смирнова ГО УВПО «МАТИ»-РГТУ им. К.Э.Циолковского
А.А.Кирьянов, В.Ю.Сироткин ООО «Связь-Строй» (г. Москва)
Для повышения эффективности мониторинга экологической ситуации особое значение приобретает автоматизация обработки значительных объемов информации, которая традиционными методами затруднительна или невозможна. На большинстве крупных современных предприятий установлены системы мониторинга окружающей среды, описанные в [1-3]. Рост числа контролируемых параметров требует совершенствования этих систем в направлении автоматизации процессов обработки данных, что ставит задачу необходимости создания программных средств для автоматизированной обработки, передачи и хранения информации.
В настоящей работе описано программное обеспечение, позволяющее автоматизировать обработку данных по экологическому мониторингу и информировать оператора о тенденциях изменения экологической обстановки.
Программный комплекс написан на языке программирования С++ и функционирует под управлением операционной системы с открытым кодом Linux Red Hat Enterprise Server 5.2 с поддержкой графической системы GNOME. Функциональная структурная схема разработанного комплекса представлена на рисунке.
Все модули программного комплекса можно разделить на три рабочих группы: систему для сбора данных экологического состояния окружающей среды, систему управления базой данных и автоматизированное рабочее место оператора (АРМ).
© С.Б.Беневоленский, А.А.Смирнова, А.А.Кирьянов, В.Ю.Сироткин, 2009
