ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 46-52
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ^^^^^^^^ ТЕХНИКИ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ
УДК 53.083.98 + 681.3.069
ЦИФРОВАЯ ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ И ПРОГРАММА УПРАВЛЕНИЯ СКАНИРУЮЩИМ ТУННЕЛЬНЫМ МИКРОСКОПОМ
© 2014 г. Л. В. Толмачев*, **, А. М. Трояновский*
*Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН Россия, 119334, Москва, ул. Косыгина, 2 E-mail: troyan@kapitza.ras.ru **Московский физико-технический институт Россия, 141700, Долгопрудный Московской обл., Институтский пер., 9 Поступила в редакцию 16.09.2013 г.
Описано разработанное программное обеспечение для сканирующего туннельного микроскопа (с.т.м.), в котором работа цепи обратной связи, управление работой с.т.м., получение и сохранение результатов измерений реализовано на одном настольном компьютере с операционной системой Linux Ubuntu. Для работы с с.т.м. дополнительно используются блок сбора информации промышленного производства(№-6229) и аналоговый блок, представляющий собой 5 высоковольтных усилителей, блок управления шаговыми пьезоприводами и отдельный предусилитель туннельного тока. Программа использовалась для управления низкотемпературным (4.2 K) с.т.м. с 3й-позиционером для грубого выбора места сканирования и имеет удобный графический интерфейс пользователя.
DOI: 10.7868/S0032816214030100
Практически сразу после своего появления [1] сканирующие туннельные микроскопы (с.т.м.) стали широко использоваться для изучения структуры поверхности проводящих материалов вплоть до атомного уровня. На основе принципа с.т.м. появился целый класс приборов, подобных с.т.м., но в которых острие иглы заменено на какой-либо датчик (температурный, магнитный и т.п.) с похожим принципом работы: сканированием вдоль поверхности датчика на минимальном расстоянии и измерении распределения сигнала датчика вдоль поверхности. Для поддержания необходимого промежутка между поверхностью и датчиком в приборах применяется цепь обратной связи. Первоначально использовались, в основном, аналоговые схемы цепи обратной связи [2], а для управления работой с.т.м. и сбора данных практически сразу с момента своего появления использовался компьютер. В дальнейшем при реализации цепи обратной связи стали использоваться цифровые системы. Как правило, это блоки, реализованные на сигнальном цифровом процессоре [3, 4] либо на программируемой матрице. Сейчас на коммерческом рынке имеется много различных систем, предназначенных для работы с с.т.м. Основной их недостаток (кроме высокой стоимости) — отсутствие гибкости в управлении; можно использовать лишь заложенный изготовителем в программу набор функций и практически невозможно использовать какие-либо другие методики, им не предусмотренные. Для расширения гибкости проведения эксперимента жела-
тельно иметь возможность оперативно менять либо вводить новые режимы работы прямо в ходе эксперимента. Сейчас имеются свободно распространяемые программы [4, 5] с открытым кодом для управления с.т.м., что дает новые возможности при проведении эксперимента. В работе [5] было подробно описано использование настольного компьютера одновременно для работы цепи обратной связи и управлением экспериментом, представлены программные коды для реализации такой работы. В данной работе мы предлагаем свой вариант программы для управления с.т.м., в которой цепь обратной связи и управление всем ходом с.т.м.-эксперимента выполнено на одном компьютере, т.е. не используются дополнительные платы или блоки для цепи обратной связи. Предлагаемое программное обеспечение представляет собой созданный на основе работы [5] законченный полный программный пакет, предназначенный для работы с с.т.м. В нашей работе было сделано следующее: доработан драйвер для платы NI-6229, использован оригинальный алгоритм работы обратной связи и полностью создана программа управления работой с.т.м. с графическим интерфейсом для работы в операционной системе Linux. Подробно встраивание в систему программы цепи обратной связи описано в [5]. Здесь приведена информация, которая необходима для установки и работы с нашим пакетом. Программное обеспечение находится в открытом доступе [6] и распространяется в соответствии с понятием "свободная программа", определен-
ным в общественной лицензии GPLv2 [7]. Дополнительную информацию по установке программы и ссылки на новые версии см. в [8].
Общая блок-схема установки приведена на рис. 1. Для работы установки необходим блок связи цифровой и аналоговой частей. В нашем случае компьютер 1 связан с аналоговой частью 3 через недорогой блок АЦП—ЦАП (2) промышленного производства NI-6229 компании National Instruments [9]. Блок имеет многоканальный аналого-цифровой преобразователь АЦП, четыре 16-битовых цифроаналоговых преобразователей ЦАП, порты цифрового ввода/вывода и генератор-таймер. В работе были испытаны два варианта исполнения этого блока: 1) подключение внутри компьютера через разъем PCI; 2) расположение во внешней корзине PXI (производства NI). Корзина PXI соединяется с компьютером посредством оптического кабеля длиной 10 м, что позволяет располагать управляющий компьютер в удобном месте, а отсутствие гальванической связи уменьшает наводимые компьютером помехи. С точки зрения программы оба варианта полностью эквивалентны. Для корректной работы блока NI-6229 мы использовали драйвер, входящий в состав пакета из работы [5] для блока NI-6221 и переделанный с учетом специфики NI-6229 (добавлена поддержка 4-х ЦАП на плате). Была также добавлена возможность сканирования линий через заданные промежутки (а не всех линий подряд в каждой точке, задаваемой ЦАП). Это позволяет сканировать участки поверхности большого размера без существенного увеличения времени сканирования, если не требуется высокое разрешение.
АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ
Аналоговый блок 3, подключаемый к блоку АЦП—ЦАП, состоит из 5 высоковольтных усилителей с выходными напряжениями до ±200 В, формирователя напряжения на туннельном промежутке с.т.м. и отдельного преобразователя ток— напряжение, расположенного вблизи головки с.т.м. Высоковольтные усилители собраны на основе микросхем PA91 (APEX) по общепринятой (стандартной) схеме. В конструктивном исполнении на панель аналогового блока выведены индикаторы выходных напряжений, потенциометры для сдвига выходного напряжения по всем трем координатам, потенциометры компенсации наклона и переключатель управления напряжением на туннельном промежутке. Также на панель выведены переключатели диапазонов по X-, Y- и Z-каналам. Предварительный усилитель-преобразователь выполнен отдельным блоком и подключен к первому каналу ЦАП в дифференциальном режиме через витую пару. В первом каскаде преобразователя ток—напряжение используется мало-
Рис. 1. Блок-схема установки сканирующего туннельного микроскопа. 1 — управляющий компьютер; 2 — блок АЦП—ЦАПN1-6229; 3 — аналоговый блок; 4 — предварительный усилитель-преобразователь; 5 — сканирующий туннельный микроскоп.
шумящий усилитель АС541. Напряжение одного ЦАП используется для поддержания туннельного промежутка (координата Z — перпендикулярно плоскости поверхности образца), два других — для задания положения в плоскости образца (X, У), и четвертый ЦАП — для задания напряжения на туннельном промежутке (У^). При изготовлении блока усилителей особое внимание было уделено уровню шумов и уменьшению наводок от сети.
Для управления шаговыми пьезодвигателями трехмерного позиционера используется дополнительный блок формирователя импульсов, подключаемый к выходным регистрам блока N1-6229. Направление движения выбиралось соответствующей коммутацией импульсов в блоке формирователя импульсов. Подобная конфигурация позволяет использовать шаговые пьезодви-гатели разной конструкции без перекомпиляции программы. Входные регистры (8 бит) блока N1-6229 используются для считывания положений переключателей диапазонов на аналоговом блоке. Выходной регистр (6 бит) используется для управления ключами шаговых пьезоприводов Эё-нанопозиционера. Описание управлением шаговым пьезодвигателем нанопозиционера приведено в работе [10].
48
ТОЛМАЧЕВ, ТРОЯНОВСКИЙ
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
Программа управления работой с.т.м. состоит из двух отдельных частей:
1) обеспечение обратной связи;
2) интерфейс, с которым работает пользователь.
Такое разделение необходимо по причине того, что цепь обратной связи должна работать с минимальными задержками и очень хорошей временной стабильностью, а также иметь прямой доступ к блоку N1-6229. Этого невозможно добиться для обычных программ, поэтому цепь обратной связи работает в режиме ядра операционной системы. Это означает, что код обратной связи становится частью ядра и имеет очень большие возможности по управлению компьютером. Для того, чтобы избежать потенциальных проблем, в этом режиме работает только минимально необходимая часть кода, а пользовательский интерфейс реализован в виде отдельной программы, запускающейся в обычном режиме.
Цепь обратной связи сканирующего туннельного микроскопа должна удерживать иглу на расстоянии от образца, необходимом для протекания заданного туннельного тока. Обратная связь должна обеспечивать устойчивость системы, необходимую точность отработки регулируемой величины и с максимальным быстродействием. Туннельный промежуток представляет собой нелинейную цепь, которую можно приближенно описать соотношением
^ = /оехр(-кг), где — туннельный ток; /0 и к — коэффициенты; г — расстояние между проводниками.
При небольших изменениях туннельного промежутка йг изменение туннельного тока сМ1 можно приближенно описать линейным соотношением ^--К1йг, где К1 — коэффициент (зависит
от величины туннельного тока). Передаточную характеристику преобразователя ток—напряжение и высоковольтного усилителя можно считать линейной в диапазоне до одного килогерца. Гораздо более сложную систему представляет собой исполнительное устройство — туннельный микроскоп, который представляет собой сложную механическую конструкцию со многими резонансами. На рис. 2 представлены амплитудно- и фазочастная характеристики туннельного микроскопа, описанного в работе [10] и использованного нами в экспериментальной ус
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.