Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
1. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА НЕОДНОРОДНОЙ ПЛАЗМЫ 10
Цель и методы диагностики 10
Современные технические средства для эмиссионной спектроскопии неоднородной пла:імьі 13
Радиальные преобразования 15
Исключение аппаратных искажений , 17
2. АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 19
Метод главных компонент , 19
"Коллективная" обработка массивов отсчетов в локальной спектроскопии плазмы 22
3. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ
ДИАГНОСТИКИ-АРМ «СВЕТ» 26
3.1 Структура программно-аппаратного комплекса 26
3.2СпектрометрДФС-12 27
Фотоприем ник и регистрирующая система 28
Модули КАМАК 29
Управление и программное обеспечение. Основные возможности программы Spectrum 30
Общие сведения об основных модулях программы Spectrum 33
3.6. ] Модуль сканирования спектра но длинам волн 33
Модуль пространственного сканирования 36
Модуль сканирования по заданной программе 37
Модуль отображения одновременно нескольких спектров из файлов 37
Модуль загрузки спектра 38
Модуль градуировки спектрометра по длинам волн 38
Модуль градуировки чувствительности 40
Модуль сервера удаленного доступа и управление через программу Spectrum 40
3.7 Вспомогательные модули программы „ ..,...:..'. 41
Модуль фазовой регистрации 41
Модуль радиального преобразования 43
Модуль исключения аппаратных искажений 46
Модуль пересчета данных из относительных единиц, в единицы спектральной энергетической яркости. 48
4. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО
КОМПЛЕКСА 49
Проверка линейности регистрирующей системы 49
Временные параметры регистрирующей системы 50
Градуировки спектрометра по длинам волн 51
Градуировка шага блока пространственного сканирования 52
ГрадуироЕіка чувствительности регистрирующей системы 53
Регистрации аппаратного контура 55
Реализации системы относительного позиционирования по длинам волн 56
ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТАЛЛОГАЛОИДНОЙ ЛАМПЫ (МГЛ) 58
ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКЦИОННОЙ ЛАМПЫ 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
ЛИТЕРАТУРА 75
ПРИЛОЖЕНИЕ А 78
ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ SPECTRUM 78
Главное меню программы 7Н
Модуль сканирования спектра по длинам волн 79
Модуль пространственного сканирования 82
Модуль точною позиционирования Eia максимум линии 85
Модулі, сканирования по заданной программе 85
Модулі, отображении одновременно нескольких спектров из файлов 89
Модуль загрузки спектра 92
Модуль исключения аппаратных искажений 95
Модуль градуировки спектрометра по длинам волн 96
10 Модуль ірадуироики чувствительности 100
] 1 Модуль сериера удаленного доступа и управление через программ у Spectrum 103
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 104
ТЕХНИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ПРОГРАММНО-АППАРАТНОМУ КОМПЛЕКСУ
104
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ-АРМ «СВЕТ» 104
1 Спектрометр ДФС-12 104
1 'Электрические схемы программно-аппаратного комплекса - АРМ "СВЕТ" 107
ПРИЛОЖЕНИЕ В 109
ИНСТРУКЦИЯ ПО ПОЛЬЗОВАНИЮ ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫМ КОМПЛЕКСОМ -
АРМ "СВЕТ" 109
Назначение и состав программно-аппаратного комплекса I09
Подготовка к эксперименту 111
Порядок включення МГЛ 112
Порядок включения АРМ "СВВТ" 112
Введение к работе
Актуальность работы:
Развитие физики плазмы и ее приложений тесным образом связаны с успехами в разработке методик, средств диагностики и контроля физических условий в составе компонентов плазмообразугоших сред. Особое значение имеют бесконтактные, не вносящие искажений оптические и спектрометрические методы. Использование этих методов актуально для асірофизики, плазмохимии, плазменной металлургии, физики и техники газоразрядных источников света, включая газовые лазеры, приложений плазмы в микроэлектронике, биологии, и других областях пауки и техники, круг которых постоянно расширяется.
Возрастающая сложность и разнообразие разрабатываемых и изучаемых плазменных объектов, сопряжена с необходимостью сбора больших массивов первичной информации и их сложной математической обработкой.
Возрастающая потребность в сокращении времени и трудозатрат для сбора и обработки информации, сопряжена с необходимостью управления объектами по результатам диагностики в реальном времени.
Для решения задач фундаментальной и прикладной физики также требуются объективные, высокоэффективные методы спектроскопического анализа характеристик неоднородных гетерогенных сред.
Все это делает создание и модификацию спектрометрических методов и аппаратуры, актуальной проблемой диагностики неоднородной плазмы.
Цель работы:
Целью данной работы была разработка и создание программно-аппаратного комплекса для автоматизированного сбора и обработки спектроскопической информации, необходимой для определения параметров неоднородной плазмы, с использованием унифицированных модулей управления экспериментом и рациональных алгоритмов обработки данных, уменьшающих влияние шумов эксперимента на конечный результат, и применение комплекса для диагностики конкретных плазменных объектов.
Локальные значения параметров плазмы: концентрации электронов, атомов в основном и возбужденных состояниях, атомной и электронной температуры, могут быть определены на основе известных теоретических моделей, если известны интенсивности и формы контуров спектральных линий, излучаемых различными элементарными объемами плазмы.
Для получения этой спектроскопической информации необходимо:
собрать массив экспериментальных данных, связанных с пространственным
распределением спектральной энергетической яркости поверхности источника;
определить, на основе этих данных, пространственное распределение
спектральной энергетической яркости поверхности источника, с учетом кривой спектральной
чувствителыгости использованных фотоприемников и возможных искажений, полученных
распределений, из-за конечного разрешения спектральной аппаратуры;
перейти от массива яркости поверхности источника к массиву локальных значений
коэффициентов излучения, на основе принятой модели источника.
Это очень трудоемкий и времязатратный процесс с большим объемом рутинных действий и огромным объемом, записей протоколов исследования, являющихся тормозом в использовании эффективных методов диагностики, если не решена проблема автоматизации процесса сбора и обработки данных. С решением этой задачи и связана, в частности, цель настоящей работы. Дополнительной целью является демонстрация эффективности решения задач диагностики с использованием методических и программно-аппаратных средств на основе результатов предпринятой разработки.
Комплекс применен для исследования конкретных плазменных объектов. В качестве примера исследования таких объектов были выбраны металлогалоидная лампа (МГЛ) и индукционная лампа. Результаты, относящиеся к МГЛ, во многом согласуются с ранее известными, что свидетельствует о достоверности результатов, получаемых с помощью разработанных средств и методов. Однако даже в этом давно изучаемом объекте, обнаружены новые эффекты.
Результаты исследования индукционной лампы получены впервые.
Научная новизна работы:
впервые к реальному объекту применен метод коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации, сокращающий затраты времени на обработку данных и поньппающий устойчивость результатов к шумам эксперимента. Ме~од реализован в программных модулях разработанного комплекса и использован для определения параметров дуговой плазмы по контурам спектральных линий. Продемонстрирована эффективность метода по сравнению с традиционными алгоритмами;
получены данные о локальных значениях плотности нормальных и возбужденных атомов и концентрации электронов в ртутно-таллиевой дуговой лампе высокого давления;
впервые исследовано пространственное распределение плотности возбужденных состояний в неоповой лампе трансформаторного типа, что позволило сделать вывод о механизме возбуждения уровней и физических условиях в таком разряде;
разработано и создано оригинальное программное обеспечения для автоматизированного информационно-измерительного спектрометрического комплекса сбора и обработки спектрометрической информации, построенное па основе стандартизированных технических и программных средств по модульному принципу, что позволяет легко адаптировать его к конкретным диагностическим задачам, а также использовать в режиме удаленного доступа к оборудованию.
Научно-практическая значимость работы:
Для нужд локальной количественной диагностики неоднородной плазмы создан действующий программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий высокую эффективность сбора спектроскопической информации, ее сохранения, отображения и обработки с использованием рациональных, устойчивых к шумам алгоритмов,
Комплекс имеет удобный интерфейс и легко настраивается на различные режимы работы, в том числе и при удаленном доступе к оборудованию.
Программные и аппаратные модули комплекса, каждый из которых удовлетворяет требованиям унификации, стандартизации и переносимости, могут быть использованы при создании других систем автоматизированной диагностики и контроля.
Данные о пространственных распределениях параметров неоднородной плазмы, получаемые из анализа спектральных распределений коэффициентов излучения, обеспечивают возможность детального исследования физико-химических процессов в плазме и способствуют, как расширению знаний и представлений о плазме конкретных приложений, так и дают информацию для инженерно-конструкторских разработок.
Разработанный комплекс, снабженный подробной технической документацией, а также описание методов сбора и рациональной обработки спектроскопической информации о неоднородной плазме могут быть использованы и уже используются в научно-образовательном процессе при подготовке специалистов по физической электропике и информационно-измерительной технике.
Основные положения, выносимые на защиту:
Применение в реальном эксперименте, основанного на методе главных компонент, рационального алгоритма обработки массивов спектральной 'энергетической яркости поверхности неоднородной, аксиально-симметричной плазмы, повышающего устойчивость результатов к шумам эксперимента.
Пространственные и временные распределения электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления, в парах ртути, с добавками йодида таллия.
Пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в новом типе источника света - индукционно связанной плазме, позволившее сделать вывод о близости условий в такой плазме к условиям положительного столба тлеющего разряда и ступенчатом механизме возбуждения уровней.
Программно-аппаратный комплекс для спектрометрических измерений, построенный но модульному принципу, на базе современных унифицированных технических и программных средств, что обеспечивает его переносимость и адаптацию к решению различных спектрометрических задач. Состав методических и программных средств, входящих в комплекс, создает для пользователя комфортные условия эффективной работы.
Апробация работы:
Содержание работы докладывалось на всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001 (Петрозаводск, 2001), международной конференции по инженерному и компьютерному образованию ICECE'2003 (Brazil in Santos, 2003), 16ой международном симпозиуме по нлазмохимии 16th International Symposium on Plasma Chemistry, (Taormina, Italy, 2003), 30ой конференции европейского физического общества по физике плазмы, 30lh EPS Conference, (Санкт-Петербург, 2003), на школе молодых ученых, по проблемам приложений физики низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 2003г), IV Российском семинаре, по современным средствам диагностики плазмы и их применению (Москва, 2003) и опубликованы в работах:
1. Екимов К.А., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Программный комплекс управления спектрометрическими измерениями с возможностью удаленного доступа к автоматизированной установке на базе системы графического программирования LabVIEW // Материалы
Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТГТ-2001 (в 2 томах). Т.2. / ПетрГУ. Петрозаводск, 2001. С. 40-43.
Нкимов К.А., Луизова Л.А., Приходчснко Р.В., Соловьев А.В., Хахаев А.Д. Лабораторные работы но спектроскопии. // Учебное издание. ПетрГУ. - Петрозаводск, 2003,
Ekimov К., Luizova L., and Prihodchenko R. Laboratory programs on physics with usage of modern information technologies // International Conference on Engineering and Computer Education (ICECE7003), Brazil, in Santos.
Ekimov K., Luizova L., Khakhaev A, and Soloviev A. Rational tools for data obtaining and processing in local plasma spectroscopy II 16th International Symposium on Plasma Chemistry, Taormina, Italy - June 22-27, 2003.
Luizova L., Khakhaev A., Ekimov K, and Soloviev A. The set up and software for local plasma spectroscopy II 30' EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, St Petersburg, Russia, July 7-11,2003.
Гостев В.А., Екимов К.А., Луизова Л.А., Хахаев А.Д. Спектр излучения гелиевого микроплазмотрона // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.66-68.
Нкимов К.А., Луизова Л.А,, Соловьев А.В., Хахаев А.Д. Автоматизированный комплекс для спектроскопической диагностики неоднородной плазмы // Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды. Материалы IV Российского семинара (12-14 ноября 2003г.) / Москва, МИФИ. С.49-51.
Программно-аппаратный комплекс прошел успешную проверку в ходе экспериментальных исследований дугового разряда, в лабораторных работах студентов, по курсам: «Проектирование информационно-измерительных комплексов», «Оптические методы лиагносгики плазмы», «Физические основы получения информации», «Метрология и измерительная техника» и при выполнении студентами курсовых и дипломных работ.
Вклад автора:
Впервые практически реализована локальная диагностика неоднородной плазмы закрытого дугового разряда в парах ртути с добавками иодидов с помощью метода коллективной обработки больших массивов спектроскопической информации о пространственно-временных распределениях излучения аксиально-симметричной плазмы.
Модифицирована, на основе использования среды LabVIEW и магистрально-модульной системы КЛМАК, система управления устройством пространственного, спектрального и временного стробирования, при регистрации излучения источников, питаемых переменным током.
На основе стандартизированных, унифицированных и переносимых модулей создан программно-аппаратный комплекс для автоматизированного сбора и коллективной обработки данных, для задач диагностики неоднородной плазмы.
С помощью этого комплекса получены данные о пространственно-временных распределениях электронной плотности и концентраций нормальных и возбужденных атомов в дуговом разряде высокого давления в парах ртути с добавками йодида таллия и исследовано пространственное распределение заселенностей возбужденных атомов в индукционно связанной плазме в неоне.
Продемонстрирована возможность использования отдельных модулей комплекса для обработки данных, полученных на другом оборудовании, а также возможность использования комплекса в режиме удаленного доступа к оборудованию.
Создано методическое пособие по использованию программно-аппаратного комплекса для широкого круга спектроскопических работ, в том числе, для диагностики аксиально-симметричной киазиетаиионарпой или периодически изменяющейся, неоднородной плазмы.
Проведено и проводится систематическое тестирование качества работы и надежности автоматизированного программно-аппаратного комплекса при выполнении научно-исследовательских и учебных лабораторных работ на кафедре "Информационно-измерительных систем и физической электроники" и в Научно-образовательном Центре "Фундаментальные проблемы физики низкотемпературной плазмы" Петрозаводского Университета.
Объем и структура диссертации:
Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 112 страниц, 32 рисунка, 4 таблицы и 41 наименование библиографических ссылок.
Похожие диссертации на Локальная диагностика неоднородной плазмы с помощью автоматизированного спектрометрического комплекса
