Установка для проведения спектроскопических исследований в области длин волн 0,2 - 2 мкм

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 источник излучения, фокусирующую оптику; ис-

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

Рисунок /

Блок-схема установки для регистрации спектров поглощения и люминесценции. / — источник, излучения; 2 — исследуемый, образец; 3 — фотоприемник; 7 - блок согласования; 5 - блок управления; 6 - ПК ройство, включающее в себя усилитель сигнала; аналого-цифровой преобразователь (АЦП); логику управления ШД монохроматора; силовой блок управления ШД монохроматора.

Данное устройство выполнено на 8-разряд-ном 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.

■— Интегральная нелинейность — 0,5 мл. разр.

— Абсолютная погрешность — ±2 мл. разр.

— Максимальная скорость регистрации спектра — 60 нм/мин.

— Разрешение по длине волны — 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-иередатчик (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 IC1 [4]. Устройство подключается к компьютеру посредством разъема XI.

В качестве отображающего устройства выбран жидкокристаллический знакосинтезирующий индикатор WH1602-D формата 2x16. Резисторами R6, R10 задается контрастность изображения.

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

Рисунок 2 Принципиальная электрическая схема блока управления

Коэффициент усиления задается переключателем S1. Усиленный сигнал поступает непосредственно на вход А? П Т

Внешний вид блока управления показан на рис. 3.

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.

Силовой блок состоит из блока питания и усилителей коммутации А1 — А4. На вход усилителей 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, сохраненное после последней остановки монохроматора, и передает его на компьютер. После этого он переходит в режим ожидания коман-■ ды 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 развер тка спектра, затем происходит оцифровка сигнала, зарегистрированного фотоприемником, установленным за выходной щелью монохроматора, и осуществляется передача значений зарегистрированного сигнала и соответствующее значение длины волны на компьютер. В процессе регистрации спектра МК постоянно

-2?CV

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.

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 монохроматора 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

Рисунок 6

Главное окно программы

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

Тип решетки

(♦ решетка 350 • 10ОО нм

С решетка 700 ■ 2D00 нм

С решетка 200 - 500 нм

Cancel

Рисунок 7

Диалог выбора решетки

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

Скорость

Скорость

। С 5 нм/мин

| С 10 нм/мин

Г 25 нм/i тин

, С 40 mmAwh ('* 60 нм/мин

Рисунок 8

Диалог выбора скорости сканирования

Кнопка «Калибровка» позволяет произвести калибровку монохроматора, т. е. привести в полное соответствие показания счетчика длины волны, отображаемое программой, с реальным знзчбни^м длины волны, на которую настроен монохроматор. Для точной калибровки необходимо установить в качестве источника излучения ртутную лампу и дифракционную решетку для спектрального диапазона 350 — 1 000 нм. При выборе пункта «Калибровка» появляется диалог, представленный на рис. 9.

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».

Рисунок 10

Диалог выбора диапазона сканирования

После нажатия кнопки «Пуск» монохроматор будет переведен в состояние, соответствующее начальной длине волны диапазона ска-; нирования 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-

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.