АВТОМАТИЗАЦИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА НА УСТАНОВКЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СПЕКТРОМЕТРА

Изотов Р.А.

Донецкий Национальный Технический Университет

Кафедра Электронных Вычислительных Машин

Abstract

Izotov R.A. Automation of experiment on ultrasonic spectrometer. Problems of automation of research experiment on the ultrasonic spectrometer are discussed. The decision of the given problem is described.

Введение

Во второй половине XX столетия ультразвуковые методы исследования в области физики твердого тела получили интенсивное развитие и ознаменовались крупными достижениями как в области изучения фундаментальных свойств строения вещества, так и в плане прикладного использования полученных результатов [1].

Действительно, акустические методы позволяют проводить тончайшие исследования строения и физических свойств вещества в широких пределах температуры, давления, магнитных полей и других параметров.

В основе современных представлений о динамике кристаллов лежит концепция квазичастиц, или элементарных возбуждений в твердом теле. Именно структуры квазичастиц, характер их взаимодействия и связывания определяют термодинамические, кинетические, механические, электромагнитные и магнитные свойства кристаллов. Соответственно, знание этих свойств позволяет сформулировать способы воздействия на их спектры с целью целенаправленного изменения свойств и получения веществ с заданными характеристиками.

Ультразвуковые методы (УЗ - методы) в этом вопросе занимают одно из центральных мест.

В Донецком физико – техническом институте эти методы широко используются для комплексных исследований магнитоакустики металлов и магнитодиэлектриков.

Для металла можно дать определение как твердое тело, обладающее «поверхностью Ферми» (ПФ). Именно понятие ПФ, т.е. структуры энергетического спектра электронов проводимости металла, развитое в квантовой физике, позволяет наиболее полно и ясно объяснить твердость и ковкость, электро и теплопроводность, внешний блеск и прочие характеристики металла.

Наряду с другими методами изучения ПФ широко используются ультразвуковые. Их несомненное преимущество – устранение трудностей изучения металлов на высоких частотах, связанных с существованием скин-слоя. Действительно, суть явления проста. Если через металл распространяется УЗ – волна, то она приводит к появлению в металле осциллирующего электрического поля из-за смещений ионов. Это электрическое поле обладает теми же волновыми характеристиками, что и вызвавшая его УЗ- волна. То есть, по сути мы получаем электромагнитную волну, способную проходить через металл и не связанную с проблемами скин-слоя, как это имеет место для обычной электромагнитной волны.

Как результат взаимодействия поля УЗ – волны с электронами проводимости вслед за Пиппардовскими осцилляциями был открыт целый ряд магнитоакустических эффектов. Среди них: квантовомеханический магнитоакустический резонанс; «эффект автофазировки» в наклонном магнитном поле; доплер - сдвинутый акустический циклотронный резонанс [2].

На примере открытого в ДонФТИ доплерон-фононного резонанса были выявлены целый ряд общих закономерностей взаимодействия электронных возбуждений в твердом теле.

Эффективными оказались УЗ – методы при исследовании явления сверхпроводимости.

Использование акустических методов при изучении полупроводников привело к обнаружению ряда акустоэлектронных явлений, обусловленных взаимодействием УЗ – волн с носителями заряда: усиление звука дрейфовым потоком носителей, акустоэлектрический эффект, генерация звука, акустомагнитоэлектрический эффект и др.

На их основе выросла целая новая отрасль техники – акустоэлектроника, открывающая перспективы создания принципиально новых приборов на твердом теле: усилителей и генераторов звуковых и электромагнитных колебаний, модуляторов света, активных УЗ линий задержки, детекторов и т.д.

Нельзя не упомянуть так же обширную область исследований, связанную с акустическими ядерными и электронным парамагнитным резонансами, целый массив исследований и технических приложений, связанных с использованием поверхностных акустических волн.

В последние годы благодаря УЗ-методам исследования достигнут заметный прогресс в понимании динамики фазовых превращений в магнитодиэлектриках. Экспериментальные исследования магнитоакустики ориентационных фазовых превращений (переходов второго рода «порядок-порядок») позволило выявить тонкие эффекты динамического взаимодействия упругой, спиновой и электромагнитной подсистем магнетиков, обобщить и согласовать имеющиеся до того теоретические модели, создать наиболее полную на сегодняшний день физическую картину явлений [3].

Учитывая, что область фазовых превращений, где параметры вещества существенно и резко изменяются в зависимости от внешних факторов, является наиболее востребованной в технических приложениях, такие исследования весьма актуальны и продолжают активно развиваться.

Описание эксперимента

Однако, при исследовании магнитодиэлектриков УЗ-методами возникли значительные проблемы, которые при исследовании металлов достаточно не проявлялись. Чтобы понять их, рассмотрим, вкратце, работу ультразвукового спектрометра. При исследовании твердых тел нами используется эхо-импульсный метод, который заключается в следующем: для измерения затухания и скорости распространения УЗ-волны в образец перпендикулярно его плоскопараллельным граням вводится достаточно короткий (по сравнению с временем прохождения звука по образцу) высокочастотный ультразвуковой импульс (рис. 1). Наблюдая многократные отражения этого импульса параллельных торцов образца, можно судить, как быстро, в зависимости от времени и пройденного расстояния, последовательно отражающиеся импульсы затухают по амплитуде.

Рис. 1 Схематическое изображение образца, склейки и преобразователя с электродами.

На рис. 2 показан пример серии отраженных эхо-импульсов.

Рис. 2 Серия эхо-импульсов

Измерив амплитуды двух соседних импульсов, и зная толщину образца, можно вычислить затухание:

дБ/ед. длины

Где X₁– X₂ – расстояние между отражениями

A(X₁), A(X₂) – амплитуды соседних эхо-импульсов (двойная толщина образца, так как импульс между отражениями дважды проходит образец).

Для измерения скорости необходимо двойную толщину образца разделить на время между соседними эхо-импульсами. При проведении измерений для определения относительных изменений скорости с высокой разрешающей способностью используются различные другие методы. Нами, в основном, используется фазовый метод.

Введение звукового импульса в образец осуществляется пъезопреобразователями из кварца или ниобата лития.

В упрощенном виде блок-схема ультразвукового спектрометра показана на рис.3

Рис. 3 Блок – схема ультразвукового спектрометра.

Синхрогенератор, генерирующий прямоугольные видеоимпульсы с длительностью, задаваемой условиями эксперимента запускает ВЧ-генератор, на выходе которого получаем радиоимпульсы с частотой заполнения равной основной гармонике пъезопреобразователя или его нечетным гармоникам. Радиоимпульс подводится к преобразователю, где в результате пъезоэффекта превращается в звуковую волну. Звуковой импульс, пройдя образец и отразившись от противоположной грани, вновь попадает на пъезопреобразователь, где в связи с обратимостью пъезоэффекта, вновь превращается в электрический сигнал. Отраженные сигналы усиливаются широкополосным усилителем и подаются на осциллограф и регистрирующий прибор (самописец).

Рассмотрим суть возникших при исследовании магнитодиэлектриков проблем. Исследование металлов проходило, в основном при температурах жидкого гелия 1.8⁰-4.2⁰К [2], когда акустическая связка между образцом и пъезопреобразователем находилась в замороженном состоянии и слабо влияла на распространение УЗ-волны, внося в затухания постоянный вклад, неизменный в рабочем диапазоне температур.

Область температур, в которых проводятся исследования магнитодиэлектриков очень широкая. Нами проводились исследования в диапазоне от 1.8⁰ до 500⁰ К. И не учитывать влияние акустической связки уже нельзя. Более того, при работах с температурами выше 320⁰К для температурной развязки применяются буферные стержни из природного или плавленого кварца, которые так же в значительной мере влияют на затухание УЗ-волны. В данной ситуации изменение амплитуды одного промежуточного импульса не будет адекватно отражать поведение затухания в образце.

Амплитуда промежуточного импульса может уменьшаться, что говорит о возрастании затухания, а количество их возрастает, а это отражает ситуацию уменьшения затуханий. Подобный эффект наблюдался при исследовании Fe₃BO₆ [3,4].

В данном случае для правильной интерпретации результатов необходимо записывать всю последовательность отраженных эхо-импульсов, и в каждой точке вычислять затухание.

Следующий момент: при исследовании металлов изменения носили, в основном, осциллирующий характер, скорость которых можно было регулировать скоростью развертки магнитного поля. И двухкоординатный самописец, включаемый для регистрации, не вносил задержки.

При исследовании фазовых превращений в магнитодиэлектриках переход из одной фазы в другую зачастую происходит скачком и на изменении сигнала это сказывается в виде ступеньки. Этот скачок совершается столь резко, что самописец уже вносит задержку при записи, а, зачастую и вообще, не позволяет регистрировать сигнал. Тогда приходится данные снимать по точкам, что наглядно видно в работах по исследованию ErFeO₃ [5,6].

Другая проблема, возникшая при снятии фазовых диаграмм Н-Т: когда на какой-то период необходимо зафиксировать температуру и провести протяжку магнитного поля. И это необходимо проводить в широком диапазоне температур. Точность поддержания температуры, особенно в момент фазового перехода должна быть не хуже 0.1⁰ К. Подобная ситуация и при снятии зависимости изменения скорости от температуры [5].

Система автоматизации

Для повышения эффективности работы ультразвукового спектрометра при проведении новых экспериментов было принято решение о модернизации и введении его в комплекс компьютера.

Идея заключается в следующем:

1) Разработка и изготовление автономного блока, позволяющего преобразовывать аналоговые сигналы от спектрометра в цифровой код, вводимый в компьютер, а так же цифровой код от компьютера в аналоговый сигнал для управления температурой и магнитным полем.

2) Разработать и изготовить плату расширителя портов для ввода данных в компьютер и вывода команд управления. Плата должна вставляться в ISA слот РС.

После проработки литературы [7,8,9,11] блок решено было выполнить в функциональном виде показанном на рис.4

Рис.4 Функциональная схема модуля

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь, УВХ – устройство выборки-хранения аналоговых сигналов, АК – аналоговый коммутатор,УМ1 – УМ5 – усилитель масштабирующие, ЦАП1, ЦАП2 – цифроаналоговый преобразователь.

Такое решение является универсальным, так как позволяет подключить к компьютеру практически любую экспериментальную установку. А это, в настоящее время является в ДонФТИ актуальной задачей.

Модуль сопряжения решено изготовить в одном корпусе, но отдельными платами, что позволит в дальнейшем проводить усовершенствования для решения конкретных экспериментальных задач.

В настоящее время разработаны, изготовлены, и апробированы следующие функциональные платы.

Плата масштабирующих усилителей УМ1-УМ4. Она предназначена для приведения аналоговых сигналов к одному уровню. Выходной уровень усилителей принят от 0 до ±1В. Уровень входных сигналов указан на рис. 4. Усилители выполнены по схеме «инструментального усилителя» [7].

Далее сигнал поступает на УВХ. Затем на плату, содержащую 4-х канальный аналоговый коммутатор на микросхеме К561КП1, включенную в биполярный режим, и позволяющую коммутировать сигнал до ±7.5В [13]

Через коммутатор сигналы поступают на усилитель УМ5 так же выполненный по схеме «инструментального усилителя» на микросхеме К140УД17А.

Таким образом, выходные напряжения от спектрометра приводятся к одному уровню от 0 до ±5В, необходимому для работы АЦП.

Сам АЦП реализован на микросхеме К1113ПВ1 в режиме биполярного включения [10]. Выходные данные от АЦП через шинный формирователь на микросхеме К55АП6 поступают на порт платы расширителя.

Таким образом, выходные напряжения от спектрометра приводятся к одному уровню от 0 до 5В, необходимому для работы АЦП.

Регулирование температуры и управление магнитным полем осуществляется через плату ЦАП, на которой имеются два преобразователя. ЦАП1 предназначенный для регулирования температуры выполнен на микросхеме К572ПА1 и операционном усилителе ОР-07 [10]. Опорные напряжения для ЦАП задаются стабилитронами.

Плата расширителя интерфейса выполнена на микросхемах К580ВВ55А и К555 серии [12,13,14] и позволяет расширить количество 8-ми разрядных каналов ввода-вывода данных до 6. Это делает её универсальной и позволяет в перспективе подключить к компьютеру дополнительные устройства.

Разработана программа управления, сбора данных и их обработки.

Литература

Р. Труэлл, Ч. Эльбаум, Б.Чик, Ультразвуковые методы в физике твердого тела. Изд-во «Мир», 1972г.
Н.Б. Брандт, С.М. Чудинов, Электронная структура металлов. Изд-во Московского университета, 1973г.
Л.Т. Цымбал, А.И.Изотов ЖЭТФ 105 №4, 948 – 953 (1994)
Izotov A.I., Abramov V.S. Anomaly of longitudinal acoustic mode in Fe₃BO₆. Abstracts EMMA-2000, Kyiv p182, (2000)
Л.Т. Цымбал, А.И. Изотов ЖЭТФ 102, №3, 963-974 (1992)
Izotov A.I. Magnetoacoustic of spin reorientation in Erbium orthoferrite. Int. Conf. on Magnetism, Australia, K3-56, (1997)
П. Гарет. Аналоговые устройства для микропроцессоров и мини ЭВМ. Изд-во «Мир» 1981г.
Е.А. Коломбет. Микроэлектронные средства обработки аналоговых сигналов. «Радио и связь» 1991.
В.С. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах «Энергия» 1980.
Б.Г. Федорков, В.А. Телец. Микросхемы ЦАП и АЦП. Изд-во «Энергоатомиздат » 1990.
Е.А. Мелешко. Наносекундная электроника в экспериментальной физике. Изд-во «Энергоатомиздат» 1987.
Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем. Справочник. т.1 под редакцией В.А. Шахнова «Радио и связь» 1988.
В.Л. Шило. Популярные цифровые микросхемы изд-во «Радио и связь» 1987.
С.А. Бирюков. Применение интегральных микросхем серии ТТЛ. Изд-во «Патриот» М. 1992.