NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP NHIỄU XẠ KẾ TIA X GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH PC

NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP NHIỄU XẠ KẾ TIA X GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH PC

-2- TÓM TẮT Nhiệm vụ đề tài: Xây dựng, lắp đặt thí nghiệm vật lý đại cương Biên soạn giáo trình hướng dẫn: Thực hành vật lý đại cương II bao gồm 10 thí nghiệm thực hành sau: Bài Cơ học chất điểm, tượng phách Bài Cơ học vật rắn Bài Máy biến Bài Đo từ trường Bài Đo vận tốc ánh sáng Bài Giao thoa ánh sáng Bài Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ Bài Nhiễu xạ tia X Bài Tính chất sóng electron Bài 10 Đo điện tích riêng electron Nghiên cứu nâng cấp nhiễu xạ kế tia X ghép nối máy vi tính PC Dùng kỹ thuật ghép song song với PC qua cổng máy in thay cho kỹ thuật ghép nối qua slot ISA bit hệ thống cũ Nghiên cứu thiết kế chế tạo khối điện tử chức để lắp đặt hệ nhiễu xạ tia X ghép nối PC bao gồm : Khối nguồn nuôi thấp (±5V, ±15V) Nguồn nuôi cao 500V Khối khuếch đại phổ hình thành xung Khối đo đếm đa thang MCS Khối nhận biết vị trí detector Viết chương trình phần mềm điều khiển hệ thống, thu nhận xử lý phổ nhiễu xạ Visual C++ môi trường Windows XP -3- ABSTRACT The commission of project: Design, construct experiments of fundamental physics Edit the laboratory manual: “Experiments of fundamental physics II” consist of 10 experiments: Exp.1 Mechanics of a Particle, Beat Exp.2 Mechanics of a Rigid Body Exp.3 Transformer Exp.4 Measurement of magnetic fields Exp.5 Measurement of speed of Light Exp.6 Interference of Light Exp.7 Dispersion of Light, Diffraction grating Exp.8 X-ray diffraction Exp.9 Wave property of Electron Exp.10 Measurement of ratio e/m of Electron Study, upgrade the X-ray diffractometor Replace the interfacing card on extended SLOT of the old system by interfacing card to PC through a parallel port (LPT) Design, manufacture functional electronics blocks for X-ray diffractometor: power supply (±5V, ±15V), HV 500V, spectroscopy amplifier, multi channel scale, control unit position of detector Design program for systematic control, receive and process of spectrum by Visual C++ in Windows -4- T I ĐẶT VẤN ĐỀ hực hành Vật lý đại cương nội dung quan trọ ng chương trình đào tạo cử nhân Vật lý Ngoài thí nghiệm kinh điển, truyền thống giúp mô tả nghiên cứu tượng Vật lý phạm vi Vật lý cổ điển, thí nghiệm cải tiến theo hướng áp dụng thành tựu công nghệ thông tin vào việc xử lý liệu thực nghiệm với trợ giúp máy vi tính Có hướng việc cải tiến thí nghiệm vật lý: - Hướng thứ nhất: Cải tiến mặt phương pháp: Sử dụng máy vi tính công cụ vạn năng, nhờ phần mềm công cụ lập trình multimedia cho phép mô tất tượng vật lý Nhờ vậy, Có thể tiến hành thí nghiệm “ảo” với đầy đủ kiện khả dó máy vi tính Đây công cụ hỗ trợ đắc lực vào việc cải tiến phương pháp giảng dạy góp phần nâng cao hiệu chất lượng đào tạo - Hướng thứ hai: Cải tiến mặt nội dung, cấu hình kỹ thuật thí nghiệm vật lý: Sử dụng kỹ thuật giao tiếp dụng cụ đo lường với máy vi tính để thiết kế thí nghiệm thực hành Đây xu hướng có tính cách mạng việc thiết kế thí nghiệm vật lý Nhờ máy vi tính chương trình điều khiển mà bước tiến hành thực nghiệm chuẩn hóa, cho kết nhanh chóng, xác, lưu trữ kết dễ dàng, mà cò n giúp cho việc nghiên cứu tượng vật lý thuận lợi Đặc biệt, giúp cho Sinh viên làm quen với phương pháp đo lường điều khiển đại kỹ thuật Với ý nghóa to lớn công tác đào tạo, đề tài nghiên cứu khoa học: “Đo lường máy vi tính xây dựng nâng cấp thí nghiệm vật lý đại cương II, Mã số: B2004-29-25, nhằm mục đích sau: -51 Xây dựng, lắp đặt viết tài liệu hướng dẫn thí nghiệm vật lý đại cương II, sở thiết bị hãng LEYBOLD cung cấp để phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo Nghiên cứu xây dựng nâng cấp thí nghiệm ghép hệ đo với máy vi tính Trong số thí nghiệm lắp đặt có sử dụng phương pháp đại gắn hệ đo với PC Hệ thống thời gian vừa qua góp phần đắc lực việc giảng dạy thực hành thí nghiệm Sinh viên Tuy nhiên thiết kế sở PC 486 chương trình chạy hệ điều hành DOS, đến tỏ lạc hậu Mặt khác phải phục vụ liên tục nên hầu hết trục trặc, đặc biệt phần cứng Từ thực đề tài nghiên cứu đặt nhiệm vụ xây dựng nâng cấp thí nghiệm ghép PC, trước mắt tập trung cho hệ nhiễu xạ tia X với định hướng sau: Thay đổi nguyên tắc thiết kế mạch giao diện: dùng kỹ thuật ghép song song với PC qua cổng máy in thay cho kỹ thuật ghép nối qua slot ISA bit hệ thống cũ Thực nghiệm Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm khối chức hệ phổ kế tia X, bao gồm: khuếch đại tuyến tính, nguồn nuôi cao thế, mạch MCS (Multi Channel Scaler), mạch theo dõi vị trí đầu dò Lập trình điều khiển thiết bị, thu nhận xử lý phổ Visual C++ môi trường Windows XP -6- II NỘI DUNG Nội dung đề tài nghiên cứu trình bày tóm tắt phần sau: Phần thứ nhất: XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II Xây dựng, lắp đặt, thử nghiệm viết tài liệu hướng dẫn chi tiết 10 thí nghiệm thực hành Nội dung phần trình bày chi tiết giáo trình: “Thực hành Vật lý đại cương II” Bài Cơ học chất điểm, tượng phách: Khảo sát nghiệm lại định luật chuyển động chất điểm, va chạm đàn hồi Khảo sát tượng phách nhờ thiết bị đo ghép với máy vi tính PC Bài Cơ học vật rắn: Khảo sát nghiệm lại định luật chuyển động vật rắn Đo gia tốc trọng trường lắc toán học Đo mô men quán tính lắc vật lý Khảo sát chuyển động tiến động quay hồi chuyển Bài Máy biến thế: Khảo sát đo đạc tham số máy biến pha chế độ không tải, chế độ có tải chế độ ngắn mạch nhờ hệ thống đo ghép nối máy vi tính PC Bài Đo từ trường: Khảo sát đo từ trường ống dây máy đo từ trường hệ đo ghép nối với máy vi tính PC Bài Đo vận tốc ánh sáng: Khảo sát đo vận tốc ánh sáng thiết bị biến đổi xung điện oscilloscope Bài Giao thoa ánh sáng: Khảo sát tượng giao thoa ánh sáng nhờ lưỡng gương Fresnel, đo bước sóng nguồn sáng Bài Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ: Khảo sát tượng tán sắc sánh sáng qua lăng kính h tử nhiễu xạ, đo chiết suất chất thủy tinh làm lăng kính, đo bước sóng nguồn sáng Bài Nhiễu xạ tia X: Khảo sát tượng nhiễu xạ tia X qua tinh thể, đo bước sóng tia X số mạng tinh thể nhờ nhiễu xạ kế tia X ghép nối với máy vi tính PC -7Bài Tính chất sóng vi hạt: Khảo sát tượng nhiễu xạ chùm electron qua đa tinh thể graphit, đo bước sóng De Broglie electron, khoảng cách mạng tinh thể graphit Bài 10 Đo điện tích riêng electron: Khảo sát đo điện tích riêng electron e/m Phần thứ hai: XÂY DỰNG, NÂNG CẤP NHIỄU XẠ KẾ TIA X GHÉP NỐI MÁY VI TÍNH PC A CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương Giao tiếp thiết bị đo lường với máy vi tính Nội dung chương trình bày nguyên tắc kỹ thuật giao tiếp hệ thống đo lường điều khiển với máy vi tính Cấu hình tổng quát hệ thống đo lường điều khiển ghép PC hình 1.1 SENSOR PHYSICAL SYSTEM (OBJECT) ANALOG PROCESSOR ADC INTERFACE PC Hình 1.1 Cấu hình hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Để thực việc kết nối máy tính với hệ thống đo lường sử dụng kỹ thuật giao diện sau (hình 1.2) -8- Hình 1.2 Các phương pháp giao tiếp Chương Tổng quan tia X 2.1 Tương tác tia X với vật chất Khi chùm tia X qua mẫu vật chất, cường độ chùm tia bị suy giảm tán xạ tương tác tia X với nguyên tử môi trường vật chất: tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp trình hấp thụ quang điện (hình 2.1) Hình 2.1 -92.2 Nhiễu xạ tia kế tia X Ta quan sát tượng nhiễu xạ tia X cách tử quang học thông thường bước sóng tia X nhỏ Do phải dùng tinh thể chất làm cách tử cho nhiễu xạ tia X Theo lý thuyết nhiễu xạ tia X qua tinh thể Vulf – Bragg mặt Bragg giống gương phẳng phản xạ tia X hình 2.2 Hình 2.2 Điều kiện để có cực đại nhiễu xạ tia X là: δ = 2dsinθ = kλ (1) Theo công thức Vulf – Bragg biết trước d, từ thực nghiệm đo θ xác định bước sóng tia X Ngược lại biết trước λ, từ thực nghiệm đo θ ta xác định số mạng tinh thể d Đó nguyên lý để xây dựng nhiễu xạ kế tia X (hình 2.3) ET D Hình 2.3 Sơ đồ khối nhiễu xạ kế tia X - 10 B THỰC NGHIỆM Nội dung phần trình bày nguyên tắc thiết kế, thử nghiệm khối chức hệ phổ kế tia X, bao gồm: khuếch đại tuyến tính, nguồn nuôi cao thế, mạch MCS (Multi Channel Scaler), mạch theo dõi vị trí đầu dò, chương trình điều khiển Chương THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ CHỨC NĂNG CHO NHIỄU XẠ KẾ TIA X 3.1 Mạch cao 500V Mạch cao làm nhiệm vụ cung cấp 500V cho đầu dò GM hoạt động Sơ đồ khối mạch trình bày hình 3.1 Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động sau: điện áp xung dao động với tần số chuẩn f0 (có thể thay đổi từ 1KHz đến 10KHz) hình thành nhờ vi mạch LM555 đưa tới khuếch đại Darlington Tín hiệu lối mạch khuếch đại đưa qua biến áp xung Điện áp thứ cấp biến áp xung chỉnh lưu nhân bội áp lên 500V Vòng phản hồi để bảo vệ tải ổn định điện áp mạch Sơ đồ chi tiết trình bày hình 3.2 - 13 (D0 - D7) TEMPORARY LATCH I/U GE NERATE M ULTIPLEXER MOTOR THR ESHOLD (LLD,ULD) (D0 - D7) DAC TERMINAL DECORDER LPT1 Address: (378hex) DATA TRANSCEIVER - HIGH VOLTAGE - AM PLIFIER - POW ER SUPPLY Hình 3.4 Sơ đồ khối mạch MCS v Khối chuyển giao liệu (Data Transceiver) gồm vi mạch số U1, U2, U5, U6 cho phép đệm viết liệu từ mạch MCS thiết kế vào máy tính theo chế độ hand shaking v Khối chốt liệu tạm thời (Temporary Latch) gồm U10, U11, U12, U13 làm nhiệm vụ chốt liệu tạm thời từ máy tính vào chốt (là vi mạch 74LS374) MCS theo chế độ BCD (8 - – -1) Từng bit liệu BCD biến đổi từ dạng số sang tương tự nhờ vi mạch DAC0800, ngõ nguồn dòng DAC biến đổi thành dạng tương tự nhờ khuếch đại thuật toán TL084 Thế ngõ từ khuếch đại thuật toán trộn với tín hiệu chia tần số, sau lựa chọn thích hợp để đưa đến trạm điều khiển gồm phần cao 500V nuôi đầu dò GM v Để lựa chọn cửa sổ thích hợp nhằm thu phổ nhiễu xạ tia X, mạch phải đảm bảo chế độ đặt ngưỡng (LLD), ngưỡng (ULD) thích hợp đảm bảo điều kiện điều khiển góc quay motor 13 25 12 24 11 23 10 22 21 20 19 18 17 16 15 14 1 19 11 13 15 17 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý MCS Start Stop Tof f +5V RN1 4k7 1OE 2OE A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 18 16 14 12 74LS74 CLR PRE CLK D U9A Q Q CLR CLK Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 RN2 74HC T138 G1 G2A G2B A B C U4 Acqon 74LS393 +5V 12 U2B CLR CLK U2A 74LS393 CLR CLK U1B 74LS393 CLR CLK IO0 13 12 13 74LS393 IN IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 U3 74HCT244 From /to LPT1port P1 3 11 10 11 10 74HC T04 U8C 4k7 R1 U8A OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Acqon Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 12 15 16 19 74LS374 OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 U6 74LS374 OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 U7 74HCT374 11 13 14 17 18 11 13 14 17 18 74HC T04 11 13 14 17 18 LED D1 IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 Lowby te Highby te Mcontrol+ McontrolLLD ULV Highby te Lowbyt e Lcontrol IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 74HC T04 U8B 4k7 15 14 13 12 11 10 QA QB QC QD QA QB QC QD QA QB QC QD QA QB QC QD Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 U5 12 15 16 19 12 15 16 19 74HC T04 1k R12 U19A +5V 4k7 Lcontrol RN3 IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 1n C10 ULD IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 LL IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 Mcontrol- IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 Mcontrol+ 4.43Mh Y1 Tof f Stop Start IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 IO0 IO1 IO2 IO3 IO4 IO5 IO6 IO7 470 C9 74LS374 OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 U11 D2 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 12 15 16 19 OE CLK 74HC T04 74LS374 OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 U13 74LS374 U19B 1k R11 11 13 14 17 18 11 3k5 R1 D3 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 12 15 16 19 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 3k5 R9 470 74HC T04 U19C +5V 12 15 16 19 3k5 R7 R6 3k5 R4 R2 470 DI ODE SCH OTTKY 13 74LS374 OE CLK D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 DIODE SCHOTTKY 13 U12 D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 12 D4 Q4 15 D5 Q5 16 D6 Q6 19 D7 Q7 13 14 17 18 11 13 14 17 18 11 13 14 17 18 U10 15 14 12 11 10 15 14 12 11 10 15 14 12 11 10 15 14 12 11 10 Gen DAC0800 VR- VR+ B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 U17 DAC0800 VR- VR+ B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 U16 +5V DAC0800 VR- VR+ B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 U15 +5V DAC0800 VR- VR+ B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 U14 VLC COMP IOUT IOUT VLC COMP IOUT IOUT VLC COMP IOUT IOUT VLC COMP IOUT IOUT 16 16 16 16 10n C7 10n C5 10n C3 10n C1 - - +5V Date: Size B Title 100p 5k1 C8 R10 13 - 12 + 100p U18C Gen IN HV -15V +15V +5V -5V P1 Sheet MAÏCH MCS Tuesday , October 04, 2005 +5V of From/t o ADC port 14 15 16 17 18 19 20 21 22 10 23 11 24 12 25 13 4k7 RN4 MULTI CHANNEL SCALER Docum ent Number TL084 14 U18D TL084 +5V 5k1 C6 R8 10 + 100p U18B TL084 +5V 5k1 C4 R5 TL084 U18A 100p C2 R3 5k1 - + + +5V 11 11 11 11 U1A Rev - 14 - - 15 3.4 CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN Lưu đồ thuật toán chương trình mô tả hình 3.6 Khi chạy chương trình Diffmeter.exe Máy tính hình thành thông số ngầm định chương trình quy định từ ban đầu Chương trình khởi động để đo chế độ đa thang (MCS) Lúc chương trình tự động kiểm tra trạng thái thời cổng máy in, cổng LPT1 LPT2 Nếu cổng bậïn in chương trình tiếp tục kiểm tra cổng rỗi Song song với chương trình đọc liệu để vẽ phổ, chương trình MCS đảm bảo thêm chức đặt thời gian điều khiển góc quay nhằm chọn lựa đỉnh phổ nhiễu xạ Các thông tin thời gian đặt phần mềm bao gồm: ngày tháng, thời điểm khởi phát đo, thời điểm chấm dứt đo Để thu nhận đỉnh phổ việc chọn độ rộng cửa sổ phù hợp quy định Dwelltime Nếu cửa sổ góc không phù hợp, đỉnh phổ xuất Việc đặt góc quay thực chế độ cửa sổ góc kiểm tra cách hợp lý Góc quay phải đảm bảo ba thông số sau: ∗ θmin: vị trí ban đầu ∗ θmax: vị trí cuối ∗ ∆θ: bước quay Khi góc quay chưa vượt θmax chương trình tiếp diễn thực chế độ tăng ∆θ theo bước góc quay đạt giá trị cực đại, phép đo tự động dừng Nếu muốn tiếp tục phép đo chu trình lặp lại không chương trình trả lại quyền điều khiển cho máy tính - 16 - Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán ghi nhận phổ Song song với chương trình đọc liệu để vẽ phổ, chương trình MCS đảm bảo thêm chức đặt thời gian điều khiển góc quay - 17 nhằm chọn lựa đỉnh phổ nhiễu xạ Các thông tin thời gian đặt phần mềm bao gồm: ngày tháng, thời điểm khởi phát đo, thời điểm chấm dứt đo Để thu nhận đỉnh phổ việc chọn độ rộng cửa sổ phù hợp quy định Dwelltime Nếu cửa sổ góc không phù hợp, đỉnh phổ xuất Việc đặt góc quay thực chế độ cửa sổ góc kiểm tra cách hợp lý Góc quay phải đảm bảo ba thông số sau: ∗ θmin: vị trí ban đầu ∗ θmax: vị trí cuối ∗ ∆θ: bước quay Khi góc quay chưa vượt θmax chương trình tiếp diễn thực chế độ tăng ∆θ theo bước góc quay đạt giá trị cực đại, phép đo tự động dừng Nếu muốn tiếp tục phép đo chu trình lặp lại không chương trình trả lại quyền điều khiển cho máy tính 3.5 KHỐI THEO DÕI VỊ TRÍ ĐẦU DÒ Motor sử dụng hệ nhiễu xạ tia X loại có khả quay thuận nghịch theo hai chiều Nguồn nuôi DC cho motor hoạt động +15V/50mA -15V/50mA Motor có điện áp ngõ thay đổi dải [-3V ÷ +3V] Biên độ ngõ sử dụng để máy tính nhận biết vị trí góc quay tương ứng đầu dò Để máy tính nhận biết, cần có mạch biến đổi mức điện áp tương tự sang dạng số Sơ đồ khối nguyên lý mạch biến đổi trình bày hình 3-7 3-8 Mức điện áp DC ngõ motor biến thiên từ -3V đến +3V đưa tới ngõ vào VIN tầng khuếch đại; tầng có hai kênh riêng để ngõ đưa tới hai ngõ vào V1 V2 biến đổi tương tự sang số (ADC574) Kênh thứ gồm hai khuếch đại lặp lại đảo; kênh thứ hai gồm lặp lại không đảo khuếch đại đảo với hệ số khuếch đại A = Như vậy, ngõ tầng (tức kênh 1) ngõ vào, ngõ tầng (kênh 2) gấp hai lần ngõ vào - 18 Ch (-) A=1 12bits (-) A=1 ∑ (-) A=2 ∑ V2 ADC574 S T VIN (+) A=1 V1 LPTport three 12bits Adders 283 FB 244 8bits Divider 393 Ch DAC 0800 Buffer 240 8bits LB 244 STB 244 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc khối theo dõi vị trí đầu dò Vi mạch ADC574 loại ADC biến đổi theo kiểu xấp xỉ liên tiếp với 12 bit số ngõ ra, hai ngõ vào V1 V2 nhận mức tương tự từ hai kênh khuếch biến đổi sang số Đặc điểm ADC574 V2 nhận gấp đôi V1, điều kiện phân cực điều khiển chữ số biến đổi ngõ giống Vì V2 = 2V1 Các ngõ điều khiển ADC574 phân cực theo chế độ hoạt động sau: biến đổi đồng thời 12 bit, nhận mức DC dương, tức V1 V2 l n h n Điều kiện phân cực để vi mạch ADC hoạt động theo chế độ trình bày sơ đồ mạch chi tiết hình 3.8 • Các tín hiệu CE (pin 6), 12/8 (pin 2) mức cao, • Các tín hiệu A0 (pin 4), CS* (pin 3) mức thấp, • Tín hiệu BIPOFF (pin 12) nối đất qua điện trở (để bảo đảm dòng tiêu thụ đủ nhỏ) SAMP R63 5K1 R53 5k1 LF356 LF356 R60 5K1 + U37 - 3 -15V C32 C 16 R65 10 U36 VLC COMP IOUT IOUT U36 VR+ Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý khối theo dõi vị trí đầu dò 47u + 1 C35 15 47u C36 + VR- 14 12 11 10 5 R52 22 R64 470 P3 25k R58 470 B8 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 U27 DAC0800 P2 25k R6110K2 LF356 C33 C34 R49 22 R62 5K1 R66 10 R55 5k1 -1 U35 +1 13 LF356 + + R56 5k1 - - + +15V R51 18k P1 10K 12 74LS393 CLR CLK U29B 74LS393 CLR U28A C28 CLK +5V 13 SCA R50 82k R59 47 R57 47 47u C29 + R54 5k1 11 QA 10 QB QC QD QA QB QC QD AD574A BIPOFF REFOUT AGND 12/8 A0 CE R/C CS REFIN V+ 11 VCC V- 12 10 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 DB8 DB9 DB10 DB11 R28 100 C30 DGND STATUS -15V U1 13 14 10VSPAN 20VSPAN R27 100 +15V U30A 18 Y1 16 Y2 14 Y3 12 Y4 18 Y1 16 Y2 14 Y3 12 Y4 74LS240 G U31A 74LS240 G A1 A2 A3 A4 A1 A2 A3 A4 15 28 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 47u C31 + +5V 74LS283 C0 74LS283 C0 +5V 74LS283 C0 B1 15 B2 11 B3 B4 U39 A1 14 A2 12 A3 A4 B1 15 B2 11 B3 B4 U26 A1 14 A2 12 A3 A4 B1 15 B2 11 B3 B4 U25 A1 14 A2 12 A3 A4 9 C4 S1 S2 13 S3 10 S4 C4 S1 S2 13 S3 10 S4 C4 S1 S2 13 S3 10 S4 L9 L10 L11 L12 L5 L6 L7 L8 L1 L2 L3 L4 +5V L9 L10 L11 L12 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 U33 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 U39 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 74LS244 19 1OE 2OE 11 13 15 17 LOCAL BUS U34 74LS244 19 1OE 2OE 11 13 15 17 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 74LS244 19 1OE 2OE 11 13 15 17 18 16 14 12 18 16 14 12 IOD0 IOD1 IOD2 IOD3 IOD4 IOD5 IOD6 IOD7 IOD0 IOD1 IOD2 IOD3 IOD4 IOD5 IOD6 IOD7 STRD IOD0 IOD1 IOD2 IOD3 IOD4 IOD5 IOD6 IOD7 LBRD FBRD 18 16 14 12 LPT1 [D0-D7] - 19 - - 20 Do tính bất định độ rộng kênh xảy biến đổi, sơ đồ thiết kế mạch bù trừ theo phương pháp Sliding slace Mạch gồm chia bit (74393), đệm đảo (74340), cộng 12 bit (gồm vi mạch 74283) DAC0800 12 bit lấy bù ngõ 74283 đệm qua hai đệm (FB LB) dùng 74244 đưa tới cổng LPT1 địa 0x378 Thông tin PC đọc để nhận biết vị trí Trong sơ đồ hình 3.8, tín hiệu status (pin 28) ADC574 (xuất sau kết thúc chu trình biến đổi gồm 12 trọng số nhị phân) dùng làm tín hiệu ngõ vào chia BCD (U28), byte liệu chia bus nội (local bus) theo hai nhiệm vụ khác bổ trợ cho ý đồ chung hiệu chỉnh độ rộng kênh trung bình Nhiệm vụ thứ biến đổi tạo dòng bù thông qua vi mạch biến đổi số sang tương tự; cụ thể byte thông tin đưa tới ngõ vào DAC0800 (U27) Thế tham chiếu ngõ vào VR+ (pin 14) DAC quy định ngõ REFout (pin8)/ADC574, có biến trở P1 tinh chỉnh phù hợp cho trình loại bỏ trọng số nhị phân vượt mức tham chiếu Dòng Iout (pin4) tải qua hai điện trở R65 R66 tương ứng với hai kênh tương tự Nhờ tầng (sử dụng loại LF356), V1 V2 bù ADC574 biến đổi sang số Nhiệm vụ thứ hai byte đệm vào đệm đảo 74240 (U30), ngõ U30 đưa tới ngõ cộng nhánh Bi cộng gồm (U21, U22, U23) Lúc này, thông tin từ U28 “trộn” với thông tin chưa bù từ ngõ ADC574 thông qua ngõ cộng nhánh Ai; kết thông tin ngõ ∑i vi mạch 74283 rõ ràng bù Sau đệm vào đệm 74244, liệu đọc vào PC nhờ địa cổng điều khiển FBRD (từ lối p12/U7 hình 3.8: mạch giải mã địa điều khiển) LBRD (từ p15/U7) - 21 - Chương THỬ NGHIỆM HỆ NHIỄU XẠ TIA X 4.1 Kiểm tra thông số đặc trưng khối MCS Thí nghiệm bố trí kiểm tra thông số đặc trưng khối MCS trình bày hình vẽ 4.1 MÁY PHÁT CHỈ SỐ MCS PC Hình 4.1 Bố trí kiểm tra thông số đặc trưng khối MCS Các thông số kiểm tra gồm: Khởi phát đo Dừ ng đo Đọc byte thấp Đọc byte cao Đọc tổng giá trị hai byte Điều khiển motor quay phải Điều khiển motor quay trái Đặt ngưỡng thấp ngưỡng cao để tạo độ rộng cửa sổ Chương trình phần mềm để kiểm tra TEST_MCS Exe Khi khởi phát đo thông số nút START thông số khai báo hiển thị giao diện đồ họa hình vẽ 4.2 Ø Cửa sổ Lowbyte hiển thị giá trị số đếm byte thấp máy tính đọc vào từ khối MCS qua cổng LPT1 cụ thể Giá trị byte cao 2, giá trị tổng hai byte 520 (giá trị tổng hai byte tính theo công thức: TOTAL = LB + 256 * HB.) Ø Để điều khiển motor qua trái (quay ngược chiều kim đồng hồ) cửa sổ Mcontrol + có giá trị 124, điều khiển motor qua trái nên giá trị Mcontrol - Ø Nhằm đặt độ rộng cửa sổ phù hợp để nhận phổ nhiễu xạ, mức ngưỡng thấp 17 mức ngưỡng cao 144 - 22 - Hình 4.2 Giao diện kiểm tra thông số đặc trưng khối MCS 4.2 Đo phổ ngang mạch MCS Thử nghiệm đo phổ ngang nhằm kiểm tra thăng giáng tốc độ đếm tiến hành chạy chương trình XRD để đọc số liệu từ khối MCS vào nhớ máy tính Thí nghiệm bố trí kiểm tra phổ ngang khối MCS trình bày hình vẽ 4.3 Hình 4.3 Bố trí kiểm tra phổ ngang khối MCS Khi chạy chương trình phần mềm điều khiển XRD để ghi phổ với tín hiệu thử nghiệm tần số 8700Hz lấy từ máy phát xung chuẩn ta thu hình ảnh phổ giao diện mô tả hình vẽ 4.4 - 23 - Hình 4.4 Phổ ngang với tần số xung 8700Hz Khi thay đổi tần số máy phát xung chuẩn trình thí nghiệm kiểm tra chế độ đọc/ viết khối MCS điều khiển phần mềm XRD Hệ đo thu phổ mô theo hình dạng phổ nhiễu xạ tia X hình 4.5 Mục đích thí nghiệm nhằm để thu nhận phổ hình thành từ xung TTL phát từ máy phát xung chuẩn với tần số thay đổi Phổ thu nhậ n đóng vai trò dạng phổ mô phần cứng (với điều khiển phần mềm) trước thu nhận phổ thực - 24 - Hình 4.5 Phổ thu thay đổi tần số máy phát xung 4.3 Thử nghiệm khối MCS ghép nối với hệ nhiễu xạ tia X Cấu hình bố trí thí nghiệm hình vẽ 4.6 Hình 4.6 Cấu hình bố trí thí nghiệm đo phổ thực nghiệm Các chế độ đo với tinh thể NaCl sau: Ø Góc bắt đầu đo 20 Ø Góc kết thúc 300 Ø Góc bước đo dθ: 0,10 Ø Thời gian bước đo: 5s Thực với hệ Cassy cũ với khối MCS ta thu phổ nhiễu xạ tia X tương ứng hình 4.7 hình 4.8 - 25 - Hình 4.7 Phổ nhiễu xạ thu với hệ Cassy cũ 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 10 12 Hình 4.8 Phổ nhiễu xạ thu hệ nhiễu xạ 14 - 26 Kết thử nghiệm cho thấy hai phổ tương đồng Khi dùng hệ nhiễu xạ tia X với giao diện Cassy cũ, đỉnh phổ có số đếm: 909 vị trí góc 7,30 Khi dùng hệ nhiễu xạ tia X với cấu hình đỉnh phổ có số đếm: 912 vị trí góc 7,30 Phần thứ KẾT LUẬN 3.1 NHỮNG KẾT QUẢ ĐỀ TÀI ĐÃ THỰC HIỆN Xây dựng, lắp đặt hoàn chỉnh 10 thí nghiệm vật lý đại cương Các thí nghiệm hoạt động ổn định, đặc biệt trọng thí nghiệm có sử dụng kỹ thuật ghép nối hệ đo với máy vi tính sở thiết bị hãng LEYBOLD cung cấp Biên soạn giáo trình: “Thực hành Vật lý đại cương II” hướng dẫn thực tập cho sinh viên năm thứ khoa Vật lý khoa tự nhiên khác Nghiên cứu xây dựng nâng cấp nhiễu xạ kế tia X ghép nối máy vi tính PC * Nghiên cứu kỹ thuật giao tiếp hệ đo với máy vi tính PC ∗ Nghiên cứu thiết kế chế tạo khối điện tử chức để lắp đặt hệ nhiễu xạ tia X ghép nối PC bao gồm : Nguồn nuôi cao 500V Khối khuếch đại phổ hình thành xung Khối đo đếm đa thang MCS ghép nối PC, khối nhận biết vị trí đầu dò ∗ Viết chương trình phần mềm điều khiển hệ thống, thu nhận xử lý phổ nhiễu xạ Visual C++ môi trường Windows 3.2 Ý NGHĨA VÀ TÍNH THỰC TIỄN * Phục vụ đảm bảo yêu cầu công tác đào tạo Sinh viên chuyê n ngành Khoa Vật lý thực tập cho Sinh viên khoa Công nghệ thông tin ∗ Cải tiến mặt nội dung, cấu hình kỹ thuật thí nghiệm vật lý: Sử dụng kỹ thuật giao tiếp dụng cụ đo lường với máy vi tính để thiết kế thí nghiệm thực hành Đây xu hướng có tính cách mạng việc thiết kế thí nghiệm - 27 vật lý Nhờ máy vi tính chương trình điều khiển mà bước tiến hành thực nghiệm chuẩn hóa, cho kết nhanh chóng, xác, lưu trữ kết dễ dàng, mà giúp cho việc nghiên cứu tượng vật lý thuận lợi Đặc biệt, giúp cho sinh viên làm quen với phương pháp đo lường điều khiển đại kỹ thuật ∗ So với phần giao diện nguyên thủy thiết kế DOS giao tiếp qua ISA BUS, hệ thống MCS chế tạo có điểm ưu việt hơn: + Giao diện người dùng thực môi trường Windows nên dễ sử dụng, phù hợp với phát triển công nghệ thông tin cấu hình PC hệ + Các board mạch thực dạng modun dễ dàng ghép nối giao tiếp với máy tính qua cổng máy in nên đạt tốc độ truy xuất lớn Đặc biệt dễ dàng tiện lợi lắp đặt hệ đo (không phải tháo máy để gắn boad qua ISA bus cấu hình cũ chạy DOS) + Độ rộng cửa sổ thời gian Dwelltime xác lập phần mềm thông qua thuật toán điều khiển Timer hệ thống sẵn có máy tính nên tính ổn định cao so với việc định thời gian timer + Việc sử dụng trình đa nhiệm Visual C++ cho phép người sử dụng trả quyền điều khiển hệ thống chủ đồng thời thực thi trình thu nhận XRD.exe với trình ứng dụng khác Windows Màn hình giao diện vừa thực chức hiển thị phổ, vừa thị bảng số liệu tương ứng kiện ghi nhận được, thuận lợi cho người sử dụng trình theo dõi, quan sát phổ nhiễu xạ 3.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ∗ Nghiên cứu thiết kế mạch giao tiếp qua cổng USB ∗ Mở rộng ứng dụng kỹ thuật giao tiếp hệ đo với PC để xây dựng thí nghiệm khác chương trình ... Nghiên cứu x? ?y dựng nâng cấp nhiễu x? ?? kế tia X ghép nối máy vi tính PC * Nghiên cứu kỹ thuật giao tiếp hệ đo với máy vi tính PC ∗ Nghiên cứu thiết kế chế tạo khối điện tử chức để lắp đặt hệ nhiễu. .. electron Nghiên cứu nâng cấp nhiễu x? ?? kế tia X ghép nối máy vi tính PC Dùng kỹ thuật ghép song song với PC qua cổng máy in thay cho kỹ thuật ghép nối qua slot ISA bit hệ thống cũ Nghiên cứu thiết kế. .. -92.2 Nhiễu x? ?? tia kế tia X Ta quan sát tượng nhiễu x? ?? tia X cách tử quang học thông thường bước sóng tia X nhỏ Do phải dùng tinh thể chất làm cách tử cho nhiễu x? ?? tia X Theo lý thuyết nhiễu x? ?? tia