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–635К.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+PLUSII
4. ПОИСК СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ
5. РАСЧЁТНАЯ ЧАСТЬ
5.1 Разработка проекта на базе ПЛИС
5.1.1 Реализация основного алгоритма
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
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.
| 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 | complexprogrammablelogicdevice (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 | fieldprogrammablegatearray (программируемая пользователем вентильная матрица) |
| ISA | Industry-Standard Architecture |
| PLD | programmablelogicdevice (программируемое логическое устройство) |
| SPI | serialperipheralinterface (протокол последовательного периферийного интерфейса) |
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.
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 сразрешающей 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.
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 выпускаютсявсе 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: