Измерительно-вычислительный комплекс для спектрометра ЭПР Varian E-12.

Использование измерительно-вычислительных средств для сбора, измерения, вычислительной обработки и распределения измерительной информации в системах управления технологическими процессами и объектами, при научных исследованиях и комплексных испытаниях систем в настоящее время совершен-но необходимо. В частности, ни одна современная научно - исследовательская лаборатория немыслима без таких технических средств. На основе информаци-онно-вычислительных средств создают измерительные приборы нового поколе-ния, отличительными чертами которых являются:
- расширенные функциональные возможности в результате перепрограммирова-ния в процессе обработки массивов измерительной информации
- улучшенные метрологические характеристики, например, в результате стати-стической обработки измерительных данных с учётом влияния внешних факто-ров.
На вычислительные средства возлагаются также следующие функции:
- фильтрация помех, выявление отклонений измеряемых величин от заданного уровня, учёт влияния внешних факторов и т. п.
- накопление, хранение и сервисная обработка измерительной информации пре-доставление её в виде таблиц, моделей и т. п.)
- управление узлами средств измерений с целью организации запросов, очерёд-ности приоритетов, диалогового режима с операторами, обращение к памяти.
В общем случае вычислительные средства обеспечивают автоматизацию измерительных процедур от начала измерения физических или физиологиче-ских) величин до получения окончательных результатов измерения.
Известно, что любые измерения подвержены нежелательным внешним воздействиям, что проявляется в искажении и зашумлении полезного сигнала. Это касается и исследований методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Основными причинами возникновения шумов в спектрограммах ЭПР и погрешностей измерений являются:
1. Спектры ЭПР всех веществ имеют паразитные компоненты, обусловленные малыми примесями парамагнитных ионов других элементов в изучаемом образ-це. Это приводит к уширению резонансной линии, а на фоне этого уширения теряется информация об исследуемых ионах и сверхтонкая структура возбуж-дённых атомов и молекул.
2. Наличие примесей в полости самого резонатора спектрометра.
3. Окисление полости резонатора, приводящее к уменьшению чувствительности, то есть к ослаблению величины резонансного сигнала. Плёнка золота, которой покрыта полость резонатора, имеет микронные размеры и со временем стирает-ся, в результате чего добротность резонатора снижается.
4. Проблемы, связанные с использованием самописца ЭПР. И без того низкая точность отображения снижается за счёт износа трущихся хорд самописца.
5. Неприемлема фактически ручная обработка экспериментальных данных ЭПР, когда исследователю для получения параметров спектра приходится пользовать-ся обычной линейкой.
6. Часто приходиться исследовать спектры ЭПР образцов при нестабильных ус-ловиях. В качестве примера можно привести так называемое кипение жидкого гелия при низкотемпературных измерениях, когда этим охлаждающим компо-нентом «заливается» исследуемый образец. При таком кипении спектр ЭПР чрезвычайно нестабилен и его вид постоянно искажается за счёт быстрого дви-жения пузырьков воздуха в гелии. При измерениях образцов под давлением также возможны искажения спектра ЭПР, вызванные вибрациями и несовершен-ством конструкции механизма деформации.
Применение персонального компьютера для сбора данных спектроскопии ЭПР создает неограниченные возможности для их высокоточной обработки и длительного хранения. Более того, использование метода временного накопле-ния позволяет получать сглаженные и свободные от шумов кривые ЭПР образ-цов в режиме реального времени, т.е. непосредственно в ходе эксперимента. Ис-пользуется сложение спектров, полученных путём повторного сканирования, то есть компьютерное накопление сигнала. В этом случае отношение сигнал/шум (S/N) растёт пропорционально корню квадратному из накопленного числа спек-тров. Применение такого метода гашения шумов и повышения чувствительности позволяет снимать ЭПР спектры даже с нестабильных по своим параметрам об-разцов, компенсировать влияние на структуру спектра нестабильности парамет-ров элементов спектрометра и загрязнение полости резонатора паразитными парамагнитными центрами, а также при исследовании короткоживущих пара-магнитных частиц или в кинетических исследованиях быстрых процессов ре-шать задачи, к которым было бы невозможно подойти, не располагая этой тех-никой.

Аннотация
Введение...
1. Теоретическая часть
1.1. Основы электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)....
1.2. Применение метода ЭПР в биологии..
1.3. Применение метода ЭПР в радиобиологии и медицине..
2. Принципы функционирования спектрометра ЭПР Varian E-12..
3. Система цифровой регистрации спектров ЭПР: разработка и
внедрение......
3.1. Постановка задачи
3.2. Обзор путей решения
3.3. Схемотехнические особенности и внешние сигналы
спектрометра ЭПР Varian E-12...
3.4. Интерфейс Centronics: структура и протокол обмена....
3.5. Структурная схема устройства сопряжения CV-1.....
3.6. Разработка аналогово-цифрового преобразователя...
3.7. Разработка операционной части устройства......
3.8. Разработка цифрового модуля сопряжения....
3.9. Выбор элементной базы для CV-1...
3.9.1. АЦП К1108ПВ2..
3.9.2. Операционный усилитель КР140УД608..
3.9.3. Микросхемы серии КР1533...
3.9.4. Триггер КР1533ТМ2..
3.9.5. Мультиплексор КР1533КП11А.
3.9.6. Мультиплексор КР1533КП15....
3.9.7. Элемент И-НЕ КР1533ЛА3...
3.10. Монтажная схема CV-1.......
3.11. Программное обеспечение CV-1...
3.11.1. Программирование порта Centronics на нижнем уровне.
3.11.2. Алгоритм программно управляемого обмена...
3.11.3. Назначение и структура программы CentMnu 1.0....
3.12. Блок питания для CV-1..
3.13. Техника безопасности и охрана труда......
3.14. Технико-экономическая часть...
4. Система электронной обработки спектров ЭПР графического формата.
4.1. Проблематика обработки документированного материала..
4.2. Программа МатГраф 1.1...
Заклчение...
Использованная литература
Приложения..
Приложение 1. Разъёмы спектрометра Varian E-12..
Приложение 2. Монтажная плата CV-1.
Приложение 3. Текст программы CentMnu1.0
Приложение 4. Блок-схема ядра программы МатГраф 1.1
Приложение 5. Программа Матграф 1.1..
Приложение 6. Пример использования программы МатГраф 1.1.

1. Алескеев А.Г., Войшвилло Г.В. Операционные усилители и их применение. М.: Радио и связь, 1989, 120 с.
2. Бирюков В.А. Применение интегральных микросхем серий ТТЛ. М.: Патриот, Символ-Р, Радио, 1992, 97 с.
3. Боровик Е.С., Мильнер А.С., Еременко В.В. Лекции по магнетизму. Харьков: ХГУ, 1966, 248 с.
4. Булычев А.Л., Галкин В.И., Прохоренко В.А. Аналоговые интегральные схе-мы. Минск: Беларусь, 1994, 382 с.
5. Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров. - /Богданскис Э.-А., М.: Радио и связь, 1988, 224 с.
6. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М.: Мир, 1975, 548 с.
7. Гитис Э.И., Пискулов Е.А. Аналогово-цифровые преобразователи. М.: Энер-гоиздат, 1981, 360 с.
8. Гитцевич А.Б., Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Диоды вы-прямительные, стабилитроны, тиристоры. М.: КубК-а, 1995, 528 с.
9. Зайцев А.А. и др. Полупроводниковые приборы. Транзисторы средней и большой мощности. Справочник. М.: КубК-а, 1995, 640 с.
10. Каспаров А.А. Гигиена труда. М.: Медицина, 1988, 352 с.
11. Коффрон Дж. Технические средства микропроцессорных систем. М.: Мир, 1983, 354 с.
12. Мячев А.А. Интерфейсы средств вычислительной техники: Справочник.
13. Новиков Ю.В., Калашников О.А., Гуляев С.Э. Разработка устройств сопря-жения для персонального компьютера типа IBM PC. М.: ЭКОМ, 1998, 224 с.
14. Пулатова М.К., Рихирева Г.Т., Куроптева З.В. Электронный парамагнитный резонанс в молекулярной радиобиологии. М.: Энергоатомиздат, 1989, 232 с.
15. Федорков Б.Г., Телец В.А. Микросхемы ЦАП и АЦП: функционирование, па-раметры, применение. М.: Энергоатомиздат, 1990, 320 с.
16. Федорков Б.Г., Телец В.А., Дестяренко В.П. Микроэлектронные цифро-аналоговые и аналогово-цифровые преобразователи. М.: Радио и связь, 1984, 120 с.
17. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. М.: Радио и связь, 1988, 352с.
18. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник. М.: Радио и связь, 1990, 496 с.
19. Электронные промышленные устройства./ Васильев В.И., Гусев Ю.М., Ми-ронов В.Н. и др. М.: Высшая школа, 1988, 303 с.
20. E-Line EPR Spectrometer System. Technical Manual. Varian Associates Inc., 1972.
21. E-Line EPR Spectrometer System. Technical Manual. Schematic diagram 87-125-744 E-80A Recoder, X-Axis Scan Logic. Varian Associates Inc., 1972.
22. E-Line EPR Spectrometer System. Technical Manual. Schematic diagram 87-125-742 E-80A Recoder, Y-Axis Servo Assembly. Varian Associates Inc., 1972.
23. E-Line EPR Spectrometer System. Technical Manual. Schematic diagram 87-125-744 E-80A Recoder, E-80-A Recoder. Varian Associates Inc., 1972.
24. E-Line EPR Spectrometer System. Technical Manual. Schematic diagram 87-125-703 E-Line System Interconnect. Varian Associates Inc., 1972.
25. Galindo S., R. Lopes C., and Peсa R. Data Acquisition Card fоr Varian Electron Paramagnetic Resonance Spectrometers.// Appl. Magn. Reson., 9, 1995, 33-36