Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

Кафедра экспериментальной физики

ДИПЛОМНЫЙ ПРОЕКТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

МОДУЛЬ НАКОПЛЕНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ МНОГОМЕРНОЙ МЕССБАУЭРОВСКОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Руководитель

к.ф-м.н., с.н.с. О.Б. Мильдер

Студент

Фт–635 К.В. Ивановских

СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

1.1 Эффект Мессбауэра

1.2 Мессбауэровский спектрометр

1.3 Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия

2. МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ

2.1 Системы сбора и накопления информации

2.2 Особенности создания систем накопления для многомерной мессбауэровской спектрометрии

2.3.Применение микроконтроллеров

2.4 Использование современных электронно-модульных систем

2.5 Разработка устройств сопряжения для магистрали ISA

2.6 Обмен данными с компьютером

3. РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ НА БАЗЕ ПЛИС

3.1 Современные и перспективные ИС со сложными программируемыми структурами

3.2 Методы и средства проектирования устройств с программируемой логикой

3.3 САПР MAX+PLUS II

4. ПОИСК СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

5. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ

5.1 Разработка проекта на базе ПЛИС

5.1.1 Реализация основного алгоритма

5.1.2 Связь с внешними устройствами

5.2 Разработка принципиальной схемы модуля накопления

5.3 Блок-схема программного алгоритма

6. БЕЗОПАСНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ

6.1 Характеристика рабочего места

6.2 Безопасность труда

6.2.1 Радиационная безопасность

6.2.2 Электробезопасность

6.2.3.Защита от шума

6.2.4 Защита от электростатического поля

6.3 Условия труда в лаборатории

6.3.1 Микроклимат помещения

6.3.2 Освещенность рабочего места

6.3.3 Эргономика рабочего места

6.4 Экологичность рабочего места

6.4.1 Состояние воздушного бассейна

6.4.2 Радиационная обстановка

6.4.3 Поверхностные воды

6.4.4 Промышленные и бытовые отходы 6.4.5 Анализ возможных чрезвычайных ситуаций

6.5 Пожарная безопасность

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЯ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

РЕФЕРАТ

Пояснительная записка содержит 103 листа, 20 рисунков, 5 таблиц, 7 приложений, 26 библиографических источника.

Проведён анализ основных требований к системам накопления, а также дополнительных, предъявляемых с позиции многомерной мессбауэровской спектрометрии. Рассмотрены различные способы построения систем накопления. Решён вопрос объединения свойств многоканальности и многомерности.

Разработан модуль накопления приспособленный для круга задач многомерной мессбауэровской спектрометрии. Модуль выполняет подсчёт входных импульсов от двух синхронизованных спектрометрических линеек, накопление и хранение 24 бит данных в 4096 каналах (ячейках памяти) для каждой линейки.

Модуль содержит два входных блока, состоящих в свою очередь из счётного блока и схемы промежуточного накопления. Входные блоки образуют систему накопления первого байта спектрометрических данных. Накопление 2-го и 3-го байта информации происходит с использованием программных средств микроконтроллера.

Интерфейс модуля накопления выполнен в стандарте ISA, поэтому он может применяться как плата расширения для систем класса MicroPC или любого персонального компьютера содержащего разъёмы магистрали ISA. Дополнительным внешним интерфейсом является последовательный канал передачи данных микроконтроллера.

Для распределения потоков данных в схеме используется буферное ОЗУ, доступное со стороны системы накопления первого байта, микроконтроллера и 8-разрядной шины ISA в режиме разделяемой памяти. Таким образом задатчик магистрали ISA (например процессор) при доступе к буферному ОЗУ рассматривает её как свою собственную.

Основные функции схемотехнического алгоритма, в том числе интерфейсный блок реализованы в репрограммируемой ПЛИС EPM7256S фирмы Altera. Дизайн ПЛИС разработан средствами специализированной САПР MAX+PLUS II. Проведено тестирование проекта.

Разработанный модуль предназначен для накопления мессбауэровских спектров, а также для снятия амплитудных спектров.

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

БМК	базовый матричный кристалл
БОЗУ	буферное оперативное запоминающее устройство
ИС	интегральная схема
ПДП	прямой доступ к памяти
ПЛИС	программируемая логическая интегральная схема
СОЗУ	системное оперативное запоминающее устройство
CPLD	complex programmable logic device (программируемые коммутируемые блоки)
EEPROM	electrically erasable programmable read-only memory (электронно-перепрограммируемая постоянная память)
EPROM	erasable programmable read-only memory(стираемая программируемая постоянная память)
FPGA	field programmable gate array (программируемая пользователем вентильная матрица)
ISA	Industry-Standard Architecture
PLD	programmable logic device (программируемое логическое устройство)
SPI	serial peripheral interface (протокол последовательного периферийного интерфейса)

ВВЕДЕНИЕ

Открытый Мессбауэром (Mössbauer) в 1958 году эффект резонансного излучения и поглощения гамма-квантов предоставил физикам качественно новый метод спектрометрии, который нашёл широкое применение в различных областях науки и техники. Наиболее успешное использование этого метода связано с исследованием сверхтонкой структуры ядра.

Развитие спектрометрических методов движется по пути увеличения чувствительности, разрешающей способности, повышения точности восстановления формы спектральной линии и расширения информативности.

Одним из самых перспективных направлений развития метода ядерного гамма-резонанса, является многомерная мессбауэровская спектрометрия. В рамках этого направления, путём синтеза различных гамма-оптических схем, предоставляется возможность проводить динамические эксперименты и получать систему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца, таким образом устанавливая более полную картину изучаемого процесса. В основе метода лежит принцип модуляции и трансформации энергетического спектра и регистрация резонансного излучения в нескольких точках гамма-оптической схемы.

На сегодняшний день сложилась ситуация, когда развитие методологии многомерной мессбауэровской спектрометрии опережает темпы разработки аппаратуры необходимой для этого метода. В конечном итоге отсутствие соответствующей экспериментальной базы, или её неполноценность тормозит многие исследовательские начинания.

В данном контексте неудовлетворёнными остаются многие требования, предъявляемые к системам накопления спектрометрической информации. Здесь особенно остро стоит вопрос о создании многоканальных систем, использование которых позволяет значительно поднять эффективность проведения мессбауэровских экспериментов. Не менее важными являются требования универсальности и гибкости.

Изложенная проблема весьма актуальна для лаборатории мессбауэровской спектрометрии кафедры экспериментальной физики УГТУ, где поставлена программа комплексного переоснащения и модернизации.

Цель данной работы – проектирование модуля накопления адаптированного для решения задач многомерной мессбауэровской спектрометрии.

1. МЕССБАУЭРОВСКАЯ СПЕКТРОМЕТРИЯ

1.1 Эффект Мессбауэра

Эффект Мессбауэра – явление излучения, поглощения и рассеяния гамма–квантов ядрами без передачи энергии внутренним степеням свободы системы, которую образуют атомные ядра [1].

В 1957 г. Мессбауэру (Mössbauer) удалось впервые наблюдать эффект резонансного поглощения гамма–квантов на линиях естественной ширины, не смещенных за счет отдачи и не уширенных за счет теплового движения. Это открытие, отмеченное Нобелевской премией по физике в 1961 г., дало исследователям чрезвычайно прецизионный резонансный метод регистрации изменений энергии ядерных переходов с разрешающей способностью порядка 10^–12–10^–15 [1] и привело к созданию нового физического метода изучения конденсированного состояния вещества – мессбауэровской спектрометрии. Впервые оказалось возможным изучение сверхтонкой структуры ядерных уровней, а также влияния электрических, магнитных и гравитационных воздействий на энергию гамма–квантов.

1.2 Мессбауэровский спектрометр

Эффект Мессбауэра дает возможность наблюдать явление ядерного резонанса, которое характеризуется рекордно узким энергетическим распределением. Основная физическая информация заключена в форме резонансной линии, ее особенностях и положении. Для получения этих данных используется метод энергетического сканирования (развертка спектра). Сканирование может осуществляться несколькими способами. Наиболее удобным и простым является способ модуляции энергии резонансного гамма излучения, основанный на эффекте Доплера.

Экспериментальная установка, предназначенная для регистрации интенсивности ядерного гамма–резонансного поглощения и рассеяния, в зависимости от скорости относительного движения в системе источник – анализатор получила название “мессбауэровский спектрометр”.

Функциональная блок-схема спектрометра традиционной конструкции, на основе которой выпускаются все серийно выпускаемые приборы, представлена на рисунке 1.1.

Конструктивно спектрометр состоит из двух частей: аналитического и электронного блоков [2].

Аналитический блок состоит из основания, на котором смонтированы доплеровский модулятор, узел гамма–резонансной пары и криостат.

Электронный блок спектрометра выполняет функции управления системой доплеровской модуляции, регистрации гамма–излучения, накопления данных. Электронный блок состоит из двух систем:

• системы регистрации гамма–излучения;

• системы доплеровской модуляции.

Источнику S (или поглотителю А), закрепленному на доплеровском модуляторе DM, сообщается периодическая линейно–изменяющаяся скорость. Блок управления модулятором 1 обеспечивает отработку заданного закона движения и формирует сигналы запуска системы накопления 3 в режиме многоканального пересчета. Движение источника S создает сдвиг энергии резонансного излучения, что вызывает изменение интенсивности гамма–излучения пропущенного или рассеянного поглотителем A и регистрируемого детектором D. Сигналы с детектора D усиливаются, селектируются по амплитуде в спектрометрическом тракте 2 и отправляются в выбранную ячейку памяти системы накопления 3. Накопление происходит в режиме последовательного многоканального пересчёта. Однозначное соответствие скорости движения номеру канала накопления обеспечивается синхронизацией рабочего периода движения с циклом переключения ячеек памяти, отведенных на накопление.

1.3 Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия

Традиционная схема регистрации ограничена по своим возможностям. Она не позволяет использовать многие методические достижения эффекта Мессбауэра. Основные способы увеличения чувствительности: использование резонансного детектора (содержащего вещество-конвертор), резонансно-поглощающего фильтра. При всей привлекательности обоих способов сужения спектральной линии для них характерен общий недостаток – возникает необходимость подбора веществ, удовлетворяющим определённым условиям резонансного взаимодействия. Это привело к тому, что до настоящего времени только для изотопа ¹¹⁹Sn подобраны резонансные пары в качестве конвертора и фильтра [3].

Для расширения возможностей мессбауэровской спектрометрии в работе [3] предложен новый метод – многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия, в основе которого лежит принцип модуляции и трансформации энергетического спектра резонансного излучения в нескольких точках гамма-оптической схемы эксперимента. Это достигается введением в схему нескольких резонансных преобразователей, установленных на механически не связанных, но электрически синхронизованных модуляторах, и регистрации спектров в одной или нескольких точках этой схемы. При этом конкретный вид преобразования спектральной линии представляет собой параметр, а количество независимых резонансных преобразователей или детекторов – размерность гамма-оптической схемы.

Многомерная параметрическая мессбауэровская спектрометрия вводит новое качество в процесс измерения, предоставляя возможность проводить динамические эксперименты, получать систему мессбауэровских спектров от одного исследуемого образца и, таким образом устанавливать более полную картину изучаемого процесса. Кроме того, развитие получили способы компенсации энергетического сдвига, использование которых позволяет расширить применение принципа резонансного преобразования для любого мессбауэровского изотопа.