Установка для проведения спектроскопических исследований в области длин волн 0,2 - 2 мкм Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

5. Сенокосов Э. А. Позиционно-чувствительные фотоприемники на основе слоев nCdTe:In / Э. А. Сенокосов, В. В. Сорочан // Вестник Приднестровского университета. № 2 (20). 2004. С. 105 — 109.

6. Соболева Н. А. Фотоэлектронные приборы / Н. А. Соболева, А. Е. Меламид / / М.: Высш. шк.,

1974. С. 354.

7. Сенокосов Э. А. Способ измерения спектрального распределения стационарной фотопроводимости полупроводников / Э. А. Сенокосов, Д. А. Шербан, А. А. Клюканов, С. А. Сергеев, В. М. Федоров, А. Н. Усатый / / АС СССР. № 1 499 119. Приоритет от 1. 12. 87. Опубл. 8. 08. 89.

8. Клюканов А. А. Двукоординатные фотодатчики на основе однородных проводящих полупроводниковых пленок / А. А. Клюканов, Э. А. Сенокосов, В. В. Сорочан, Л. Д. Цирулик // ЖТФ. 2003. Т. 73. С. 123 — 125.

9. Клюканов А. А. Устройство для определения координаты светового пятна / А. А. Клюканов, Э. А. Сенокосов, А. Н. Усатый, В. М. Федоров / /АС СССР. № 1 499 119. Приоритет от 7.01.87. Опубл. 7.08.89.

10. Сенокосов Э. А. Устройство для регистрации слабых световых сигналов / Э. А. Сенокосов, А. А. Клюканов, А. Н. Усатый, С. А. Сергеев, В. М. Федоров / / АС СССР. N° 1 436 796. Приоритет от 12. 08. 86. Опубл. 8. 07. 88.

11. Niu Н. A position-sensitive MOS device using lateral photovoltaic effect / H. Niu, C. Aoki, T. 'Matsuda [et al.] // Jap. J. Appl. Phys. Vol. 26. №. 1. January. 1987. P. L35 — L37. * '

Поступила 14.03.07.

УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ДЛИН ВОЛН 0,2 — 2 мкм

Ф. А. Болыциков, А. В. Малов,

К. Н. Нищев, кандидат физико-математических наук,

• ^

П. А. Рябочкина, кандидат физико-математических наук, С. Н. Ушаков, кандидат физико-математических наук

Автоматизация процессов управления приборов и цифровая обработка информации является неотъемлемой частью современного физического эксперимента. Во многих случаях оптические схемы имеющихся приборов, предназначенных для проведения спектроскопических измерений, являются вполне удовлетворительными для осуществления экспериментов. При этом, однако, современный уровень развития компьютерной техники и технологий предполагает решение задач по сопряжению данного прибора с ПК. Структурная схема модернизированного спектрального комплекса с соответствующим программным обеспечением приводится, например, в работе [1].

Целью настоящей работы явилось создание устройства для автоматизации процессов регистрации спектров поглощения и люминесценции на базе монохроматора МДР-23, производства АО «Ленинградский оптико-механический завод».

Установка для регистрации спектров поглощения и люминесценции включает в себя ис-

1

точник излучения, фокусирующую оптику; исследуемый образец, фотоприемник, силовой блок, блок управления, ПК. Блок-схема этой установки показана на рис. 1.

Для управления шаговым двигателем (ШД) монохроматора и преобразования аналогового сигнала с выхода фотоприемника создано уст-

* Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-02-00055а

© Ф. А. Болыциков, А. В. Малов, К. Н. Нищев, П. А. Рябочкина, С. Н. Ушаков, 2007

МДР-23

П

ШД j 1

г Г- V

» » Релерное [ 1 {

уст-во- "Г 1 1

Ч Г

сом

Рисунок 1

Блок-схема установки для регистрации

спектров поглощения и люминесценции.

1 - источник излучения; 2 - исследуемый образец; 3 - фотоприемник; 4 - блок

согласования; 5 - блок управления; 6 - ПК

1

ройство, включающее в себя усилитель сигнала; аналого-цифровой преобразователь (АЦП); логику управления ШД монохроматора; силовой блок управления ШД монохроматора.

Данное устройство выполнено на 8-разрядном высокопроизводительном RISC микроконтроллере (МК) ATmega8-16PI фирмы Atmel и позволяет устанавливать необходимое значение длины волны, выделяемой монохроматором, а также производить АЦП регистрируемого сигнала с последующей отправкой на IBM PC совместимый компьютер. Некоторые технические характеристики устройства приводятся ниже:

— Разрядность МК — 8 бит.

— Разрядность АЦП — 10 бит.

С7

•МЛ п:

fí-On

'ХЧ

Cé

Hb-

lOOn

CS

X'

§Й

Ci Т 1 C*sJ

С5- С 1 R 1 >л

Л'&Х

\с\

14

Ii

14

О

>7

C2 i

1—ir1

- Htm

M

1С.

СОН.4

PS

oy.i

IX" NJ

--------CD-------

IÍW

»flC

CO*. 2 CC4.

fi-p

••h»

I

a uv

± Ii

üv ~Тч'

Интегральная нелинейность

0,5 мл.

разр.

тра

Разрешение по длине волны

Абсолютная погрешность — ±2 мл. разр. Максимальная скорость регистрации спек-60 нм/мин.

- 0,015 нм.

— Интерфейс связи с компьютером — СОМ.

— Программное обеспечение — Win32.

Устройством также предусмотрена индикация на знакосинтезирующем LCD-дисплее следующих параметров работы: текущего значения длины волны; текущего значения измеренного напряжения; параметры состояния устройства; значение скорости регистрации спектра.

На рис. 2 представлена принципиальная электрическая схема блока управления.

Основой схемы является микроконтроллер IC2 [3], в состав которого входит универсальный асинхронный приемо-передатчик (USART), а также 10-разрядный АЦП. Источником опорного напряжения для АЦП служит микросхема D1 [5], включенная по типовой схеме. Для согласования уровней сигналов USART и порта RS-232 применена микросхема драйвера порта ICI [4]. Устройство подключается к компьютеру посредством разъема XI.

В качестве отображающего устройства выбран жидкокристаллический знакосинтезиру-ющий индикатор WH1602-D формата 2 х 16. Резисторами R6, RIO задается контрастность изображения.

Фотоприемник подключается к разъему Х4. Далее сигнал поступает на усилитель ОР1 [2].

WW '602 О

/ЛС *« , POSSESS' го г/ PQJ w*C PZ _, ф p • %

** ** i РС4

7* , PC •

i

i F J CO.»

i Г C»AO-J .M

•Ж У"Р I

I

\ Об % 1 A/Ct с a-:

р ль/. ÎO

а? ta

* i i pii

CV i po • •

«i с; PU"

IC2 1 • Г51 l>i "O

ЯЭ4

п* Т..1Л

Л

i*

J

м

КС*

ч?7

>к>

•с*

J'Ю

да

г>

■Чеп

Щ

LN

С

МО

*с

Р'//

¿Ж.

свое; о*э

ZA*

05J М4

OÍ7

О

о

о

V—

О)

Е

03

Q_

Ш

CD

X

см

ÁÜG

Г

" А±=«±"

~Пь "Леве

-L__L

-Д.

С 1

♦

ь

1

l^'f PI7

Iil , lût

¡AIJ ' "Iff*

X -Jr

ПрЙ Пчгг Г)*» —" U^L«* J»u ^ —

»Э0р

-4

Рисунок 2

Принципиальная электрическая схема блока управления

Коэффициент усиления задается переключате- Силовой блок состоит из блока питания и лем Усиленный сигнал поступает непосред- усилителей коммутации А1 — А4. На вход уси-

ственно на вход АЦП.

Внешний вид блока управления показан на рис. 3.

Текущее значение длины волны

679?9 т

Режим работы

ГСЮМ28МЯМВ

ЬиЭР Й ПГм/Г'ИП

Скорость регистрации спегтра

Рисунок 3 Внешний вид блока управления

Сигналы управления обмотками и сигналы с датчика длины волны монохроматора поступают на разъем Х2. Далее сигналы управления обмотками ШД поступают на силовой блок.

Принципиальная электрическая схема силового блока управления ШД монохроматора показана на рис. 4.

лителей подаются логические сигналы микроконтроллера, на выходе формируются напряжения, необходимые для управления ШД.

Управляющая программа имеет следующий алгоритм работы. При включении МК считывает из памяти значение длины волны, сохра-

и

ненное после последней остановки монохроматора, и передает его на компьютер. После этого он переходит в режим ожидания команды от управляющей программы. При получении соответствующей команды может выполняться калибровка или процесс регистрации спектра.

В процессе регистрации спектра в результате поворота дифракционной решетки с помощью ШД-монохроматора обеспечивается развертка спектра, затем происходит оцифровка сигнала, зарегистрированного фотоприемником,

т

установленным за выходной щелью монохроматора, и осуществляется передача значений зарегистрированного сигнала и соответствующее значение длины волны на компьютер. В процессе регистрации спектра МК постоянно

-СГ о 51

И

*

2ЬО

г

I I

Рисунок 4

Принципиальная электрическая схема силового блока

находится в ожидании команды «Стоп», которая прерывает данный процесс и переводит МК в начальное состояние.

Блок-схема алгоритма работы устройства представлена на рис. 5.

МОИ

у-7 * V /¿мот

, И ' . . V

ЧН' 1 *

U *J

Рисунок 5

Блок-схема алгоритма работы устройства

Блок управления реализован в комплекте с программным обеспечением, позволяющим в среде операционной системы Windows управлять монохроматором.

Предлагаемое программное обеспечение позволяет: производить калибровку монохромато-ра по линиям излучения ртутной лампы или по показанию счетчика; производить перемотку в ручном режиме с заданной скоростью; производить перемотку на заданное значение длины волны; осуществлять регистрацию спектра в заданном диапазоне длин волн с заданной скоростью; сохранять полученный спектр в текстовый файл для последующей обработки.

На рис. 6 показано главное меню программы, в котором содержится спектр пропускания кристалла кальций-ниобий-галлиевого граната, активированного ионами Ег3+

В правой части окна находятся четыре блока, ответственные за настройку, управление и отображение текущего состояния.

Блок «Ручное управление» позволяет управлять шаговым двигателем монохроматора, а также выполнять перемотку на заданное значение длины волны.

Блок «Статус» отображает состояние датчиков монохроматора, а также отображает текущее значение длины волны и интенсивность в единицах напряжения.

Блок «Установки» позволяет настраивать

150001

12000-

9СС0-

ЙОО-

ХОС

04

?50

- ............ . * . ..... .

А. щ 1 У A (v\ j \

/ 1 1

УСТ4

Fnnet'« Ос^оо* ^ ГллЛоаыл

ф Приели & Пуст

*

4в0

570

680

790

tj) Сохьа*ть ^ П©ч<г*

¿vna ел*»« 800 ООи» Пр*д*лн У-ОегЛ)** Отэростъ Йк»«к>в»«0С»ъ: 1270

ООО ООО

0 О • О

X. = 800 00 им

1 = 1 27V

12:50-02

Рисунок 6 Главное окно программы

основные параметры эксперимента. При выборе параметра «Решетка» появляется диалог (рис. 7), который позволяет выбрать используемый в монохроматоре тип дифракционной ре-

шетки.

Решетка

2<1

Т ип решетки

(* решетка 350 -10ОО им Г решетка 700 - 2000 им С решетка 200 - 500 им

OK

Cancel

Рисунок 7 Диалог выбора решетки

Следующий пункт

выбор скорости ска-

нирования спектра — «Скорость». При появлении диалога можно выбрать скорость сканирования спектра из предлагаемых вариантов или задать ее вручную (рис. 8).

[и ш

V А

гСкорость~~ С 5 нм/мин С 10 нм/мин I ^ 25 им/мин | С 40 нм/мин i 80 нм/мин С* Т очно

Caricel

Рисунок 8

Диалог выбора скорости сканирования

Получена команда Stop _

у Calibrate

Калибровка вправо/влево

/

Получение значения

скорости

Перемотка ШД на 4 шага

АЦП

Вычисление

среднего j значения АЦП|

Получение команды

Передача

данных на PC

- - *

Кнопка «Калибровка» позволяет произвести калибровку монохроматора, т. е. привести в полное соответствие показания счетчика длины волны, отображаемое программой, с реальным значением длины волны, на которую настроен монохроматор. Для точной калибровки необходимо установить в качестве источника излучения ртутную лампу и дифракционную решетку для спектрального диапазона 350 — 1 ООО нм. При выборе пункта «Калибровка» появляется диалог, представленный на рис. 9.

х]

Для калибровки монохромаггора необходимо при помощи кнопок ручного управления установить

максимум известной линии излучения ртутной лампы или установить длину волны вручную, и нажать кнопку М0К".

о

о

о о о

нм

Г 404,66 нм

Г 407,66 нм

Г 435,83 нм 546,07 нм Г

573,97 нм Г

491,60 нм Г 579,07 нм Г

QK

Cancel

V»« ■ — -0 0 гщ» I

Рисунок 9 Диалог калибровки

В данном диалоге существует возможность управления двигателем монохроматора при помощи кнопок в правом верхнем углу, а также выбора одной из семи линий спектра излучения ртутной лампы для калибровки. Порядок калибровки следующий:

1) при помощи кнопок ручного управления необходимо установить длину волны, соответствующую максимуму интенсивности излучения линии в спектре ртутной лампы, ориентируясь по счетчику монохроматора и показаниям интенсивности в главном окне программы;

2) нажать кнопку «ОК», при этом будет произведен дополнительный расчет для ориентировки счетчика на датчик единиц длин волн. При успешной калибровке появляется сообщение «Калибровка завершена!».

Для осуществления спектральных измерений необходимо выполнить следующие действия:

1) при первом запуске программы выполнить калибровку программы по положению линий излучения в спектре ртутной лампы; •

2) выбрать текущий тип установленной в монохроматоре решетки;

3) выбрать скорость сканирования;

4) выбрать диапазон длин волн для сканирования (рис. 10);

5) нажать кнопку «Пуск».

¡Пределы сканирования ■ X

1 Л:.,-' : г

Пределы решетки: 350 нм -1000 нм

Начало, нм [667

Конец, нм

850

Р к •• •»•• I • •« »1

ОК

Cancel

Рисунок 10 Диалог выбора диапазона сканирования

После нажатия кнопки «Пуск» монохроматор будет переведен в состояние, соответству-

U

ющее начальной длине волны диапазона сканирования и начнет сканирование спектра с заданной скоростью. В процессе сканирования спектр вырисовывается в основном окне программы. После окончания сканирования предусмотрена возможность детального просмотра спектра, для этого необходимо, удерживая клавишу «Shift», мышью выделить необходимый участок спектра, при этом он будет увеличен. Для возвращения к исходному масштабу необходимо, удерживая клавишу «Shift», щелкнуть левой кнопкой мыши по спектру. Удерживая кнопку «Ctrl», можно мышью перемещать спектр на необходимый участок. Полученный спектр можно распечатать на принтере (кнопка «Пе-

Сохранение

Параметры спектра Образец

КНГГ ЕгЗ+ Температура, К

300

.1 • ' ' W" it1.' ' 1 , f f

Параметры Фотоприемника

ФЭУ 83|

ОК

Cancel

Рисунок 11 Диалог сохранения результатов

сканирования

чать»), а также сохранить в текстовом файле для последующей обработки, например, в Microsoft Excel. При сохранении в текстовый файл полученных данных существует возможность записи в файл дополнительных параметров, харак-

теризующих эти данные (рис. 11). Следует заметить, что при проведении количественных люминесцентных измерений осуществляется калибровка спектральной чувствительности монохроматора и приемника излучения.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сорокин А. М. Универсальный спектральный комплекс видимого и УФ-диапазона / А. М. Сорокин, В. Каичев, А. И. Тимошин [и др.] / / Приборы и техника эксперимента. 2001. Т. 144, № 3. С. 102.

2. Atmel Corporation 2003. 8-bit AVR with 8K Bytes In-System Programmable Flash ATmega8, ATmega8L. Rev. 2486M-AVR-12/03.

3. Texas Instruments Incorporated 2003. TL431, TL431A, TL432, TL432A Adjustable Precision Shunt Regulator.

4. Maxim Integrated Products 1999. +5V-Powered, Multichannel RS-232 Drivers/Receivers. 19-4323, Rev 8, 11/99.

5. Analog Devices Inc. 2000. General-Purpose CMOS Rail-to-Rail Amplifiers AD8541/AD8542/AD8544. Rev. B.

Поступила J4.03.07.