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

TÓM TẮT

Nhiệm vụ của đề tài:

1 Xây dựng, lắp đặt các bài thí nghiệm vật lý đại cương.

2 Biên soạn giáo trình hướng dẫn: Thực hành vật lý đại cương II

bao gồm 10 bài thí nghiệm thực hành sau:

Bài 1 Cơ học chất điểm, hiện tượng phách

Bài 2 Cơ học vật rắn

Bài 3 Máy biến thế

Bài 4 Đo từ trường

Bài 5 Đo vận tốc của ánh sáng

Bài 6 Giao thoa ánh sáng

Bài 7 Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ

Bài 8 Nhiễu xạ tia X

Bài 9 Tính chất sóng của electron

Bài 10 Đo điện tích riêng của electron

3 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 thếcho kỹ thuật ghép nối qua slot ISA 8 bit của hệ thống cũ

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo các khối điện tử chức năng để lắpđặt hệ nhiễu xạ tia X ghép nối PC bao gồm : Khối nguồn nuôi thếthấp (±5V, ±15V) Nguồn nuôi cao thế 500V Khối khuếch đạiphổ và hình thành xung Khối đo đếm đa thang MCS Khối nhậnbiết vị trí detector

Viết chương trình phần mềm điều khiển hệ thống, thu nhận và xửlý phổ nhiễu xạ bằng Visual C++ trong môi trường Windows XP

ABSTRACTThe commission of project:

1 Design, construct experiments of fundamental physics.

2 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

3 Study, upgrade the X-ray diffractometor.

Replace the interfacing card on extended SLOT of the oldsystem by interfacing card to PC through a parallel port (LPT).Design, manufacture functional electronics blocks for X-raydiffractometor: power supply (±5V, ±15V), HV 500V,spectroscopy amplifier, multi channel scale, control unitposition of detector

Design program for systematic control, receive and process

of spectrum by Visual C++ in Windows

I ĐẶT VẤN ĐỀ

hực hành Vật lý đại cương là một trong những nội dung hết sứcquan trọng trong chương trình đào tạo cử nhân Vật lý Ngoàicác bài thí nghiệm kinh điển, truyền thống giúp mô tả vànghiên cứu các hiện tượng Vật lý trong phạm vi của Vật lý cổ điển,các bài thí nghiệm đã dần dần được cải tiến theo hướng áp dụngnhững thành tựu của công nghệ thông tin vào việc xử lý các dữ liệuthực nghiệm với sự trợ giúp của máy vi tính Có 2 hướng chính trongviệc cải tiến các thí nghiệm vật lý:

- Hướng thứ nhất: Cải tiến về mặt phương pháp: Sử dụng máy vi

tính như một công cụ vạn năng, nhờ các phần mềm và công cụ lậptrình multimedia cho phép mô phỏng tất cả các hiện tượng vật lý Nhờvậy, Có thể tiến hành các thí nghiệm “ảo” với đầy đủ mọi dữ kiệnkhả dĩ trên máy vi tính Đây là một trong những công cụ hỗ trợ hếtsức đắc lực vào việc cải tiến phương pháp giảng dạy góp phần nângcao hiệu quả và chất lượng đào tạo

- Hướng thứ hai: Cải tiến về mặt nội dung, cấu hình kỹ thuật của

các thí nghiệm vật lý: Sử dụng kỹ thuật giao tiếp của các dụng cụ đolường với máy vi tính để thiết kế các bài thí nghiệm thực hành Đây làmột trong những xu hướng có tính cách mạng trong việc thiết kế cácthí nghiệm vật lý Nhờ máy vi tính và các chương trình điều khiển màcác bước tiến hành thực nghiệm được chuẩn hóa, không những nó chocác kết quả hết sức nhanh chóng, chính xác, có thể lưu trữ kết quả dễdàng, mà còn giúp cho việc nghiên cứu các hiện tượng vật lý đượcthuận lợi hơn Đặc biệt, nó giúp cho Sinh viên làm quen với cácphương pháp đo lường và điều khiển hiện đại trong kỹ thuật

Với ý nghĩa hết sức to lớn đối với công tác đào tạo, đề tài nghiên

cứu khoa học: “Đo lường bằng máy vi tính xây dựng và nâng cấp các

bài thí nghiệm vật lý đại cương II, Mã số: B2004-29-25, nhằm các

mục đích sau:

T

1 Xây dựng, lắp đặt và viết tài liệu hướng dẫn các bài thí nghiệm vật lý đại cương II, trên cơ sở các thiết bị của hãng LEYBOLD

cung cấp để phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo

3 Nghiên cứu xây dựng và nâng cấp các bài thí nghiệm ghép hệ đo với máy vi tính.

Trong số các bài thí nghiệm đã lắp đặt có 4 bài sử dụng phươngpháp hiện đại là gắn hệ đo với PC Hệ thống trong thời gian vừa quađã góp phần đắc lực trong việc giảng dạy và thực hành thí nghiệm củaSinh viên Tuy nhiên do được thiết kế trên cơ sở PC 486 và chươngtrình chạy trên nền hệ điều hành DOS, cho nên đến nay đã tỏ ra khálạc hậu Mặt khác do phải phục vụ liên tục nên hầu hết đều đã trụctrặc, đặc biệt là phần cứng

Từ thực tại trên đề tài nghiên cứu đặt ra nhiệm vụ xây dựng vànâng cấp các bài thí nghiệm ghép PC, trong đó trước mắt tập trungcho hệ nhiễu xạ tia X với các 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 thế cho kỹ thuật ghép nốiqua slot ISA 8 bit của hệ thống cũ

Thực nghiệm Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm các khối

chức năng của 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

trong môi trường Windows XP

II NỘI DUNG

Nội dung của đề tài nghiên cứu được trình bày tóm tắt trong cácphần chính sau:

Phần thứ nhất:

XÂY DỰNG CÁC BÀI THÍ NGHIỆM VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG II.

Xây dựng, lắp đặt, thử nghiệm và viết tài liệu hướng dẫn chi tiết

10 bài thí nghiệm thực hành Nội dung của phần này được trình bày

chi tiết trong giáo trình: “Thực hành Vật lý đại cương II”.

Bài 1 Cơ học chất điểm, hiện tượng phách: Khảo sát và nghiệm

lại các định luật chuyển động của chất điểm, va chạm đàn hồi Khảosát hiện tượng phách nhờ thiết bị đo ghép với máy vi tính PC

Bài 2 Cơ học vật rắn: Khảo sát và nghiệm lại các định luật

chuyển động của vật rắn Đo gia tốc trọng trường bằng con lắc toánhọc Đo mô men quán tính của con lắc vật lý Khảo sát chuyển độngtiến động của con quay hồi chuyển

Bài 3 Máy biến thế: Khảo sát và đo đạc các tham số của máy

biến thế 1 pha ở các chế độ không tải, chế độ có tải và chế độ ngắnmạch nhờ hệ thống đo ghép nối máy vi tính PC

Bài 4 Đo từ trường: Khảo sát và đo từ trường trong một ống dây

bằng máy đo từ trường và bằng hệ đo ghép nối với máy vi tính PC

Bài 5 Đo vận tốc của ánh sáng: Khảo sát và đo vận tốc của ánh

sáng bằng thiết bị biến đổi xung điện và oscilloscope

Bài 6 Giao thoa ánh sáng: Khảo sát hiện tượng giao thoa ánh

sáng nhờ lưỡng gương Fresnel, đo bước sóng của nguồn sáng

Bài 7 Hiện tượng tán sắc ánh sáng, cách tử nhiễu xạ: Khảo sát

hiện tượng tán sắc sánh sáng qua lăng kính và cách tử nhiễu xạ, đochiết suất của chất thủy tinh làm lăng kính, đo bước sóng của nguồnsáng

Bài 8 Nhiễu xạ tia X: Khảo sát hiện tượng nhiễu xạ tia X qua tinh

thể, đo bước sóng của tia X và hằng số mạng tinh thể nhờ nhiễu xạ kếtia X ghép nối với máy vi tính PC

Bài 9 Tính chất sóng của vi hạt: Khảo sát hiện tượng nhiễu xạ

của chùm electron qua thanh đa tinh thể graphit, đo bước sóng DeBroglie của electron, khoảng cách mạng tinh thể graphit

Bài 10 Đo điện tích riêng của electron: Khảo sát và đo điện tích

riêng của 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 1 Giao tiếp giữa các thiết bị đo lường với máy vi tính.

Nội dung chương này trình bày các nguyên tắc và kỹ thuật giaotiếp giữa các hệ thống đo lường và điều khiển với máy vi tính Cấuhình tổng quát của một hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC chỉ

Hình 1.1 Cấu hình của một hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC

Để thực hiện việc kết nối máy tính với các hệ thống đo lườngcó thể sử dụng các kỹ thuật giao diện sau (hình 1.2)

Hình 1.2 Các phương pháp giao tiếp

Chương 2 Tổng quan về tia X

2.1 Tương tác của tia X với vật chất

Khi một chùm tia X đi qua mẫu vật chất, cường độ chùm tia sẽ bịsuy giảm vì tán xạ do tương tác của tia X với các nguyên tử của môitrường vật chất: tán xạ kết hợp, tán xạ không kết hợp và quá trình hấpthụ quang điện (hình 2.1)

Hình 2.1

2.2 Nhiễu xạ tia kế tia X

Ta không thể quan sát được hiện tượng nhiễu xạ của tia X đối vớicác cách tử quang học thông thường vì bước sóng của tia X quá nhỏ

Do đó phải dùng tinh thể của các chất làm cách tử cho nhiễu xạ tia X.Theo lý thuyết nhiễu xạ tia X qua tinh thể của Vulf – Bragg mỗimặt Bragg giống như một gương phẳng phản xạ tia X như hình 2.2

Hình 2.2.

Điều kiện để có cực đại nhiễu xạ tia X là:

Theo công thức Vulf – Bragg nếu biết trước d, từ thực nghiệm đo

θ có thể xác định được bước sóng tia X Ngược lại nếu biết trướcλ, từthực nghiệm đo θ ta có thể xác định được hằng số mạng tinh thể d.

Đó là nguyên lý để xây dựng nhiễu xạ kế tia X (hình 2.3)

D E

Hình 2.3 Sơ đồ khối nhiễu xạ kế tia X

B THỰC NGHIỆM.

Nội dung của phần này trình bày nguyên tắc thiết kế, thử nghiệmcác khối chức năng của 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 3

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÁC KHỐI ĐIỆN TỬ CHỨC NĂNG CHO NHIỄU XẠ KẾ TIA X

3.1 Mạch cao thế 500V.

Mạch cao thế làm nhiệm vụ cung cấp thế 500V cho đầu dò GMhoạt động Sơ đồ khối của mạch được trình bày ở hình 3.1

Hình 3.1

Nguyên lý hoạt động như sau: điện áp xung dao động với tần số

chuẩn f0 (có thể thay đổi từ 1KHz đến 10KHz) được hình thành nhờ vi

mạch LM555 được đưa tới bộ khuếch đại Darlington Tín hiệu lối racủa mạch khuếch đại được đưa qua biến áp xung Điện áp thứ cấpcủa biến áp xung được chỉnh lưu và nhân bội áp lên 500V Vòng phảnhồi để bảo vệ quá tải và ổn định điện áp ra của mạch Sơ đồ chi tiếtđược trình bày trên hình 3.2

Hình 3.2 Mạch cao thế 500V

3.2 Mạch khuếch đại tuyến tính và hình thành xung

Tín hiệu từ Detector GM được sửa dạng xung nhờ mạch PoleZero Tín hiệu này được khuếch đại thô khoảng 10 lần sau đó đưa quatầng khuếch đại tinh Nhờ chiết áp tinh chỉnh P2 có thể thay đổi đềuđạn biên độ tín hiệu Hai tầng U2A và U3 là các bộ lọc tích hợp đểhình thành xung chuẩn Gauss Tín hiệu chuẩn Gauss ở ngõ ra U3 đượcđưa vào mạch chọn lựa độ rộng cửa sổ (được hình thành từ cácngưỡng dưới, ngưỡng trên của các bộ biến đổi DAC với bộ khuếch đạithuật toán) nhằm lọc lựa đỉnh nhiễu xạ Đỉnh này được các bộ so sánhtrên U4A, U4B (dùng vi mạch LM319) tạo ra xung TTL để hình thànhcác xung đếm tại ngõ ra của bộ khuếch đại thuật toán Xung TTLmang thông tin sự kiện liên quan tới tia X này được đưa tới mạchMCS để được xử lý Quá trình xử lý này sẽ được phần mềm thu nhận,xử lý, hình thành phổâ Sơ đồ khối chỉ ra trên hình 3.3

+12V

D13 914

C14 0.1 D8

4007

R9 100M

-12V

D15 LED +5V

D7 4007

R2

1k

+ U2A

-TL084 3 2 1

-12V

C7 0.01

C13 0.01

C18

150p

R20 4k7

D3 4007

+12V

SW3

SW SPST

Q3 651

+ C19 470p

SW4

SW SPDT

R23 200k

Q1

3904

5k P3

+12V

C5 CAP +5V

C23 0.001

-12V Q5

914

R6 330 R4

4007 R8

2k5

R16 1k

R5 22k4

L1

3mH

+5V

D6 4007

C10 0.01

R11 30k

R25 200k

+ U2C

-TL084 10 9 8

R7 1k

D11 914

-12V

C22 0.1

-12V

C11 0.01

C16 0.001

C6 0.01 D1

914

C2 0.001

C12 0.01

R15 7k1

C1 0.01

D2 LED

C9 0.01

HV OFF

R22 200k R18

1k

R26 200k

Q2 651 +12V

R24 100k

C4 CAP

D5 4007 D4 4007

-TL084 5 6 7

+12V

C8 0.01

2k P1

R1

5k1

D9 4007

+5V

SW1

SW SPDT

D14 LED

T1

TR

SW2

SW SPST R3

5k1

R12 30k C15 0.1

Hình 3.3 Sơ đồ khối của mạch khuếch đại

3.3 MẠCH MULTI CHANNEL SCALER (MCS)

Mạch MCS có nhiệm vụ giao tiếp giữa PC với các thiết bịngoại vi thông qua phần mềm điều khiển Cổng LPT được chọn đểthực hiện giao tiếp Tám đường dữ liệu từ D0 ÷ D7 dùng để chuyểngiao vào ra hai chiều do việc lựa chọn bit 5 (Dir) trong thanh ghi điềukhiển có địa chỉ là BA+2 (Base Address+2) Các khối chức năng củaMCS được mô tả trên hình 3.4 Sơ đồ chi tiết chỉ ra trên hình 3.5

v Khối giải mã địa chỉ (Decorder) gồm có các vi mạch số U3, U4,U7 có các chức năng cụ thể như sau:

ØU3 (74HCT244) đệm dữ liệu để tránh sự ngắn mạch

ØU4 (74LS138) giải mã trực tiếp từ ba sang tám đường địa chỉ,cung cấp cho mạch chuyển giao dữ liệu làm nhiệm vụ đọc/ viết và lựachọn tín hiệu điều khiển

ØU7 (74LS374) giải mã gián tiếp nhằm cung cấp thêm một số địachỉ khác để bổ xung cho số địa chỉ còn thiếu

TEMPORARY LATCH

DATA TRANSCEIVER

DECORDER

DAC

GE NERATE

TER MINA L MOTOR

THR ESHOLD (LLD,ULD)

Hình 3.4 Sơ đồ khối của mạch MCS

vKhối chuyển giao dữ liệu (Data Transceiver) gồm các vi mạch sốU1, U2, U5, U6 cho phép đệm và viết dữ liệu từ mạch MCS đượcthiết kế vào máy tính theo chế độ hand shaking

vKhối chốt dữ liệu tạm thời (Temporary Latch) gồm U10, U11,U12, U13 làm nhiệm vụ chốt dữ liệu tạm thời từ máy tính vào các bộchốt (là vi mạch 74LS374) của MCS theo chế độ BCD (8 - 4 – 2 -1).Từng bit dữ liệu BCD này sẽ được biến đổi từ dạng số sang tương tựnhờ các vi mạch DAC0800, ngõ ra nguồn dòng của các DAC sẽ đượcbiến đổi thành dạng tương tự nhờ các bộ khuếch đại thuật toánTL084 Thế ngõ ra từ các bộ khuếch đại thuật toán được trộn với cáctín hiệu đã chia tần số, sau đó được lựa chọn thích hợp để đưa đến cáctrạm điều khiển gồm phần cao thế 500V nuôi đầu dò GM

v Để có thể lựa chọn cửa sổ thích hợp nhằm thu phổ nhiễu xạ tia X,trong mạch phải đảm bảo chế độ đặt ngưỡng dưới (LLD), ngưỡng trên(ULD) thích hợp và đảm bảo điều kiện điều khiển góc quay motor

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý MCS

A5 A7 Y5 Y7

ol-3.4 CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

Lưu đồ thuật toán của chương trình được mô tả trên hình 3.6.Khi chạy chương trình Diffmeter.exe Máy tính sẽ hình thành cácthông số ngầm định do chương trình này quy định từ ban đầu Chươngtrình được khởi động để đo ở chế độ đa thang (MCS) Lúc đó chươngtrình sẽ tự động kiểm tra trạng thái hiện thời của cổng máy in, cổngnày có thể là LPT1 hoặc LPT2 Nếu cổng đang bậïn in thì chương trìnhtiếp tục kiểm tra cho đến khi nào cổng rỗi

Song song với chương trình đọc dữ liệu để vẽ phổ, chương trìnhMCS đảm bảo thêm chức năng đặt thời gian và điều khiển góc quaynhằm chọn lựa được đỉnh của phổ nhiễu xạ Các thông tin thời gian sẽđược đặt bằng phần mềm bao gồm: ngày tháng, thời điểm khởi phát

đo, thời điểm chấm dứt đo Để thu nhận được đỉnh phổ việc chọn độrộng cửa sổ phù hợp được quy định bởi Dwelltime Nếu cửa sổ góckhông phù hợp, đỉnh phổ không thể xuất hiện được Việc đặt góc quaychỉ được thực hiện khi chế độ cửa sổ góc đã được kiểm tra một cáchhợp lý Góc quay này phải đảm bảo ba thông số sau:

∗ θmin: vị trí ban đầu

∗ θmax: vị trí cuối cùng

∗ ∆θ: bước quay

Khi góc quay chưa vượt quá θmax chương trình sẽ luôn tiếp diễnthực hiện chế độ tăng∆θ theo bước cho đến khi góc quay đạt giá trịcực đại, phép đo sẽ tự động dừng

Nếu muốn tiếp tục một phép đo mới chu trình sẽ được lặp lại.nếu không chương trình sẽ trả lại quyền điều khiển cho máy tính

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán ghi nhận phổ

Song song với chương trình đọc dữ liệu để vẽ phổ, chương trìnhMCS đảm bảo thêm chức năng đặt thời gian và điều khiển góc quay

nhằm chọn lựa được đỉnh của phổ nhiễu xạ Các thông tin thời gian sẽđược đặt bằng phần mềm bao gồm: ngày tháng, thời điểm khởi phát

đo, thời điểm chấm dứt đo Để thu nhận được đỉnh phổ việc chọn độrộng cửa sổ phù hợp được quy định bởi Dwelltime Nếu cửa sổ góckhông phù hợp, đỉnh phổ không thể xuất hiện được Việc đặt góc quaychỉ được thực hiện khi chế độ cửa sổ góc đã được kiểm tra một cáchhợp lý Góc quay này phải đảm bảo ba thông số sau:

∗ θmin: vị trí ban đầu

∗ θmax: vị trí cuối cùng

∗ ∆θ: bước quay

Khi góc quay chưa vượt quá θmax chương trình sẽ luôn tiếp diễnthực hiện chế độ tăng∆θ theo bước cho đến khi góc quay đạt giá trịcực đại, phép đo sẽ tự động dừng

Nếu muốn tiếp tục một phép đo mới chu trình sẽ được lặp lại.nếu không chương trình sẽ trả lại quyền điều khiển cho máy tính

3.5 KHỐI THEO DÕI VỊ TRÍ ĐẦU DÒ

Motor sử dụng trong hệ nhiễu xạ tia X là loại có khả năng quaythuận nghịch theo hai chiều Nguồn nuôi DC cho motor này hoạt độnglà +15V/50mA và -15V/50mA Motor có điện áp ngõ ra thay đổitrong dải [-3V÷ +3V] Biên độ ngõ ra này được sử dụng để máy tínhnhận biết vị trí góc quay tương ứng của đầu dò

Để máy tính nhận biết, cần có mạch biến đổi mức điện áp tươngtự sang dạng số Sơ đồ khối và nguyên lý của mạch biến đổi này đượctrình bày trong các hình 3-7 và 3-8

Mức điện áp DC ngõ ra của motor biến thiên từ -3V đến +3Vđược đưa tới ngõ vào VIN của tầng khuếch đại; tầng này có hai kênhriêng để các ngõ ra được đưa tới hai ngõ vào V1 và V2 của bộ biến đổitương tự sang số (ADC574) Kênh thứ nhất gồm hai bộ khuếch đại lặplại và đảo; kênh thứ hai gồm một bộ lặp lại không đảo và bộ khuếchđại đảo với hệ số khuếch đại A = 2 Như vậy, thế ngõ ra tầng trên (tứckênh 1) bằng thế ngõ vào, còn thế ngõ ra tầng dưới (kênh 2) gấp hailần thế ngõ vào