Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной технологии получения
перспективных материалов для различных отраслей не было бы возможным без развития методов анализа полученных структур.
Наряду с кристаллографическими и морфологическими методами анализа структуры используется микроанализ химического состава, позволяющий не только установить состав поверхности и приповерхностных областей структуры, но также объяснить ряд свойств изучаемой структуры и дать рекомендации по улучшению технологического процесса получения перспективных материалов. Для этих целей успешно используются методы электронной спектроскопии.
При проведении химического микроанализа материала необходимо обработать большой объём информации, что невозможно осуществить без использования современных ЭВМ. Постоянное совершенствование вычислительных машин открывает новые перспективы и возможности микроанализа (увеличение точности измерений, увеличение диапазона сканирования, сокращение времени обработки результатов и т.д.), но с другой стороны тормозящим фактором является монолитность измерительных комплексов. Из-за рыночной конкуренции большинство производителей исследовательского оборудования выпускают комплексы для анализа со встроенной специализированной ЭВМ, либо под управлением специально разработанных для этого операционных систем или используя одновременно оба подхода. Так как при анализе целесообразно для получения наиболее полной картины использовать несколько методов исследования, то в итоге мы получаем несколько рабочих мест с быстро морально устаревающей электроникой.
Комплексное решение указанных противоречий представляет сложную научную проблему, связанную с разработкой научно обоснованных методов анализа систем управления электронными спектрометрами, получения и обработки электронных спектров. На современном этапе требуется проведение системных научных исследований, систематизации известных концептуальных моделей построения научных комплексов, какими являются
4 современные электронные спектрометры, и выбора решения задач управления. Давно назрела необходимость модернизации и совершенствования электронных спектрометров, для успешного конкурирования на рынке производства услуг, т.е. на рынке производства как самих измерений, так и их интерпретаций. В связи с этим решаемая в данной работе проблема, связанная с разработкой методологических основ построения и анализа систем управления электронными спектрометрами, получения и обработки электронных спектров является своевременной и актуальной.
Целью данной диссертационной работы является совершенствование методологии системного анализа научных комплексов для повышения эффективности функционирования электронных спектрометров; совершенствование существующих методов и средств анализа обработки электронных спектров. Для достижения поставленной цели была произведена ее декомпозиция на следующие частные научные задачи.
рассмотреть методы анализа возможных решений, выбрать эффективную стратегию разработки аппаратно-программного комплекса (АПК) и создать концептуальную модель и информационно-энергетическую структуру АПК; - разработать аппаратную и программную части для управления спектрометрами и регистрации спектров;
разработать модель шумов и цифровой фильтрации электронных спектров;
разработать алгоритмы и программы математической обработки сигналов, получаемых со спектрометров;
проверить объективность и оптимальность технических решений и провести исследование состава различных структур методами масс-спектрометрии вторичных нейтральных частиц (МСВН), Оже-электронной спектроскопии (ОЭС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС). Объектом диссертационного исследования являются научные комплексы, ответственные за управление электронными спектрометрами,
5 регистрацию и математическую обработку электронных спектров.
Предметом диссертационного исследования являются методы и средства разработки системы управления комплексом электронных спектрометров, программное обеспечение комплекса и обработки электронных спектров.
Методы исследования. При решении поставленных задач применялись методы математического, концептуального и имитационного моделирования, теория графов, декомпозиция, системный анализ и синтез сложных технических систем.
Научная новизна:
Впервые разработана концептуальная модель и информационно-энергетическая структура аппаратно-программного комплекса для электронной спектроскопии.
Впервые создан универсальный аппаратно-программный комплекс, позволяющий управлять различными типами электронных спектрометров, а также обрабатывать экспериментальные данные.
Разработаны новые методы имитационного моделирования шумов, вносимых в электронный спектр, описывающие состав, структуру и параметры воздействия.
4. Разработана универсальная программа обработки спектров,
использующая различные математические методы. Программа позволяет
также интегрировать как обработанные, так и не обработанные спектры в
различные математические пакеты и табличные редакторы от сторонних
разработчиков программного обеспечения.
5. Разработан алгоритм, выполнено аппаратное оформление и создана
программа для быстрой смены образцов на электронном спектрометре, что
позволило повысить эффективность применения существующего
технологического оборудования.
Практическая значимость результатов исследования: 1. Разработанный универсальный аппаратно-программный комплекс позволяет управлять различными типами электронных спектрометров, регистрировать спектры и обрабатывать в одной программе.
Разработанный комплекс нашёл применение на кафедре физики и электроники ГОУ ВПО «СевКавГТУ».
Программа разделения электронных спектров и удаленного управления анализатором остаточных газов внедрены в ЗАО "Монокристалл", а также в учебный процесс на факультете электроники, нанотехнологий и химической технологии «СевКавГТУ».
Достоверность научных положений и результатов исследования:
Достоверность полученных результатов подтверждается
использованием положений, доказанных методами системного анализа, теории графов, зарекомендовавших себя аналитических и численных математических методов, согласованием экспериментальных и теоретических результатов, в том числе и других авторов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
1. Концептуальная модель аппаратно-программного комплекса,
объединяющая в себе внутреннюю интерпретируемость,
структурированность, связность и активность информационных систем.
2. Метод системного анализа и синтеза сложных технических систем.
Имитационная модель шумов, вносимых в электронный спектр, описывающая состав, структуру и параметры воздействия на электронный спектр её компонентов.
Аппаратно-программный комплекс для получения, хранения и обработки электронных спектров.
5. Алгоритмическое и программное обеспечение аппаратно-
программного комплекса.
Апробация и внедрение результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных семинарах кафедры физики и электроники ГОУ ВПО «СевКавГТУ», научно-технических конференциях по результатам работы ППС аспирантов и студентов СевКавГТУ, на одиннадцатой научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (Москва, 2004 г.), на первой и второй международных научно-технических конференциях «Инфотелекоммуникационные технологии в науке,
7 производстве и образовании» (Ставрополь 2004, 2006 гг.), на VII международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2006 г.), на международных научно-практических конференциях «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (Инфо-2006, 2007, 2008 и 2010, г. Сочи), на международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» (Пятигорск, 2006 г.), на 14 международной конференции СО-МАТ-ТЕСН 2006 (Трнава, Словакия).
Результаты диссертационного исследования внедрены в научно-производственную деятельность ЗАО «Монокристалл» (акт о внедрении от 15.03.2011г.).
Публикации. По результатам исследований получено 3 свидетельства об официальной регистрации программы, опубликовано 29 печатных работ, в которых изложены основные положения диссертации, в том числе 9 статей, 5 из них в изданиях, рекомендованных ВАК. Основные результаты работы получены автором самостоятельно.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объём работы составляет 142 страницы, содержит 58 иллюстраций и 4 таблицы. Список литературы включает 128 наименований.
