Mittausjärjestelyn rakentaminen fotoelektronidi raktiomittauksia varten Iiro A. K. Jan tunen 10. k esäkuuta 1999

Transkriptio

1 fotoelektronidiraktiomittauksiavarten Mittausj rjestelynrakentaminen IiroA.K.Jantunen 10.kes kuuta1999

2 Sis lt 1Johdanto 2Laitteisto 1.1XPSjaXPD Ohjelmakehitys 2.1Laitteistonuudetosat Moottoroituk nt laippa Ohjauslaatikko XPDaliohjelmat Yleisetmuuttujatjavakiot Ohjelmanuudetosat step xpd_menu let_stepmotor_contr if_yY let_stepmotor_free emergency_break stepper_status initialize_stepmotor save_xpd_set load_xpd_set...14 Viitteet 4Pohdinnat AOhjauslaatikonkytkent kaavio save_anglele

3 Kuvat 6XPS/XPD-mittausohjelmantoiminta XPD:nohjauslaatikko...9 4Uusik nt laippa[3]...8 2Esimerkkir ntgenfotoelektronidiraktiospektrist [2]...6 3XPD-mittauslaitteisto...7 1Esimerkkir ntgenfotoelektronispektrist...5 Taulukot 9EsimerkkiXPD-mittauksenasetuksista XPD-valikkotietokoneenkuvaruudulla Esimerkkiotsikkotiedostosta Aliohjelmattiedostossaxpd.pas Askelmoottorinkomentokoodit Yleisetvakiot Yleisetmuuttujat...9 3

4 r ntgenfotoelektronispektroskopian(xps)menetelmin. tronispektroskopian(aes),matalaenergistenelektroniendiraktion(leed)ja inte naineenpinnanominaisuuksia,pintarakenteitajaadsorbaattienkiinnit- tymist aineenpintaan.tutkimustatehd nt ll hetkell l hinn augerelek- 1Johdanto my salkuaineidenkemiallisestatilasta. R ntgenfotoelektronispektrionr ntgens teilyll pinnanatomeistairroitettujen elektronienenergiaspektri.sekertoopintakerroksenalkuainekoostumuksensek TeknillisenKorkeakoulunFysiikanlaboratorionPintatutkimusryhm tutkiiki- tarvitsemmediraktioonperustuvanmenetelm n.pintaherk ksimenetelm ksisopisiesimerkiksir ntgenfotoelektronidiraktio(xpd).t ss menetelm ss mitataanpinnastairtoavar ntgenher tteinenelektronispektrieril ht kulmilla. XPSeikerromit nadsorptiomolekyylienasennoista.t m nselvitt miseksi mahdollistaessan ytteenk nt misen.k sinn ytett k nt m ll tapahtuva erikulmienmittauskuluttaakohtuuttomastiaikaa.jottamittauksiap st i- Laboratoriossaontehtykokeitaerikulmillaennenkink sink nnett v nlaipan Tutkittaessakiinte naineenpintaatarvitaanhiukkasia,jotkajokosiroavataivan siintekem nenemm njatehokkaammin,tarvitaanvanhaantietokoneenxps- mittausohjelmaanlis yksi,joidenavullaohjelmatekeespektrimittaukseneri uloimmistaatomikerroksistataisitteneiv tsyvemm lt p sepintaan tokoneellaohjattavissaolevallamoottorillavarustettuk nt laippa. evenergiaisetelekronitovatt llaisiahiukkasia[1].altistamallapintar ntgen- kulmillaautomaattisesti.k sink ytett v nlaipantilalletarvitaansamallatie- 1.1XPSjaXPD roksilta,jotensyvemm lt aineestatulevainformaatioeih iritsepintatutkimus- R ntgenfotoelektronispektri-elixps-mittaustapahtuusiten,ett r ntgens teis teilylle,saadaanelektronejairroitettuaatomientaimolekyylienerienergiatasoilta.n it elektronejap seepintaanvainaivanp llimm isilt atomiker- kulmiinsironneitaelektroneja.tuloksenasaadaanspektrierikulmilla(kuva2).koskar ntgentykkijapuolipalloanalysaattoriovatyleens kiinte ostoria. mittauskammiota,saadaant m helpoimminaikaank ntelem ll n ytett. t n ytett k nnet n,jolloinenergia-analysaattoriinsaapuuvuorotelleneri lyll irroitetaanpinnastaelektronejajaanalysoidaanirronneidenelektroniene- nergiaspektri(kuva1).t h nvoidaank ytt esimerkiksipuolipalloanalysaat- samitattujenelektronienl ht kulmamateriaalinpinnastamuuttuu.xps-ja XPD-mittausonsiisperiaatteessamoneenkertaansuoritettuXPSmittaus,jos- XPD-mittauslaitteistoonesiteltykuvassa3. R ntgenfotoelektronidiraktio-elixpd-mittauspoikkeaaedellisest siten,et- XPD-mittauksentuloksenasaatavasironneidenelektronienkulma-jaenergiajakaumakertovataineenpintarakenteengeometriasta.EsimerkiksiadsorptiomolekyylinasentopinnallavaikuttaaXPD-spektriin,toisinkuinXPS:ntapauksessa. 4

5 Laitteisto Alkuper inenmittauslaitteistokoostuuuhv-tyhji kammiosta,ioni-jaturbopumpuista,r ntgenl hteest,puolipallo-analysaattorista(energia),elektronity- Kuva1:Esimerkkir ntgenfotoelektronispektrist 5000 tiintarkoitetuistav lineist.n ist t rkeint m nty nkannaltaonpy riv kist,leed-laitteista,ohjauslaitteistostasek erilaisistan ytteenmanipuloin- laippa,johonn yteonkiinnitetty Laitteistonuudetosat energia / ev I/O-portistajaverkkovirtajohto.Ohjauslaatikostaontaasjohdinyhteysaskelmoottoriin Moottoroituk nt laippa LaitteistostavaihdettiinXPD-mittauksiavartenn ytteenk nt laippauuteen askelmoottorillavarustettuun.ohjauslaatikkoontuleelattakaapelitietokoneen p seevarsinaiseentyhji kammioonkontaminoimaantutkittavaan ytett. k ntyess ilmaap seeliukuvastasaumastal pijan m kaksiv livaihettaimev tmahdollisimmansuurenosanl pip sseest ilmastaennenkuinslinentilaonjaettukahteenosaan.n m osatkytket nilmapumppuun,jolloinulkoilmanjatyhji nv liinsaadaanerillisestityhj n pidett v tila.laipan valmiinapakkauksena.laitekostuuperiaatteessakahdestalaipasta,joidenv - Uusik nt laippa,tyyppi ThermionicsRNN-400/MS(Kuva4),hankittiin 5 n

6 2.1.2Ohjauslaatikko Jottatietokonesaataisiinohjaamaanmittaustoimintaa,hankittiinmittaustietokoneenainoaanvapaanaolleeseenkorttipaikkaan24-bittinenIO-kortti.T m korttil hett bin risi komentojaohjauslaatikossasijaitsevallekontrollerille, Kuva2:Esimerkkir ntgenfotoelektronidiraktiospektrist [2] jokaohjaaniidenmukaanmoottoria.ohjauslaatikkoontuleelattakaapelitietokoneeni/o-portistajaverkkovirtajohto.ohjauslaatikostaontaasjohdinyhteysaskelmoottoriin. Ohjauslaatikossa(Kuva5,kytkent kaavioliitteess A)onkaksimuuntajaa,joillaverkkovirranj nnitelasketaankontrollerinkahdellevaatimalletasolle: Vlogiikalleja Vmoottorille.KumpikinvaihtovirtatasasuunnataanWheatstonensilloillajatasoitetaankondensaattorilla.Maatasoonn ille tasavirroilleyhteinen. Tietokoneenk skytsaapuvatpaikanp ll rakennettuunelektroniikkakorttiin. jaj nnitetietokoneenk ytt m st.eristysontoteutettukahdellatexasinstrumentstil196-optoeristimell.kumpikineristinsis lt nelj kanavaa,jotka Kortintarkoituksenaonerist optisestikontrollerink ytt m vahvempivirta TurboPascal4.0-editorilla.Tekij,TkTJukkaVaari,oliapunamuutost is- onjaoteltusiten,ett viisikanavaasy tt tietoatietokoneeltakontrollerilleja kolmepalauttaa. 3Ohjelmakehitys VanhaXPS-mittausohjelmaontehtyvuonna1990pascal-ohjelmointikielell 6

7 Kääntölaippa Tyhjiökammio Puolipalloanalysaattori elektroniikka XPS Mittaus-PC Näyte Virtalähde Röntgenlähde Askelmoottori Askelmoottorin ohjauslaatikko Kuva3:XPD-mittauslaitteisto s neuvoentarvittaessavanhanmittausohjelmantoimintaa. Mittausohjelmank ytt liittym ontekstipohjainenvalikkoj rjestelm.t m on yksinkertaistatoteuttaa,muttak ytt onsiltihelppoa.k ytt liittym p tettiins ilytt samana. P valikkoonlis sinnumeroksi8`xpdoptions',jonkaallekeskitinxpd:nk ytt nliittyv tkomennot. 3.1Ohjelmanuudetosat Ohjelmaantehdyist lis yksist p osaonxpd.pas-nimisess tiedostossa.t m tiedostomuodostaa`unitxpd'-osion,jostamuutohjelmanosiothakevatohjelmaak nnett ess aliohjelmansa. Lis ksimerkitt vi muutoksiaontehtyglobaalitmuuttujatjavakiotsis lt v n sca_glbs.pas-tiedostoon.vanhastaosastaohjelmaajouduinmuuttamaan l hinn tiedostoasca_surv.pas,jokasis lt varsinaisenmittausaliohjelman. Koskakyseess onperiaatteessavanhanohjelmantyyppisenmittauksentoistaminenkulmaneriarvoilla,lis sinmittausosanymp rillerepeat-lausekkeen. Ohjelmanuusienosientoimintakaavioonesiteltykuvassa6. T ss lausekkeessaindeksin toimiicur_step,jokak yl piarvot0-n,miss naskeltenm r.ensimm inenmittaustehd nennenaskelmoottorink nt mist.joskyseess onvainnormaalinxps-mittauksenteko,annetaanvakiolle cur_steparvoksi1. Lis ksijokaisellamittauskierroksellatalletetaankovalevyllemitattudata.t m tapahtuuxpd-valikossaannetullatiedostonimell lis tensenloppuunindeksi. Lis ksitalletetaanotsikkotiedosto(kuva7),jossaesitet nmittauksentiedot. 7

8 Tuloksienjatkok sittelytehd njokotarkoitukseenerikseenteht v ll skriptohjelmallataitaulukkolaskentaohjelmalla. 3.2Yleisetmuuttujatjavakiot Kuva4:Uusik nt laippa[3] Yleisetmuuttujatjavakiotsis lt v nsca_glbs.pas-tiedostoonteinmerkit- moottorinliikkumaanjokopuoliaskelintaikokonaisin0.8asteenaskelin- Heksadesimaaliluvutont ss merkitty(kutenpascalissa)$-merkill.komentonumerot(taulukko3)toimivatsiten,ett bin riluvuiksimuutettunaneantavat v liss.1-bittim r suunnan(1=taakse,0=eteen).2-bittitaasm r maanlis ttiinyleisi vakioita,jotkaonesitettytaulukossa2. portineribitteihin1/0-arvon. 0-bittiinsy tetty1siirt moottoriaaskeleen(pulssi),0taastarvitaanpulssien t vi muutoksia.uudetyleisetmuuttujatonesiteltytaulukossa1.lis ksiohjel- bitilleannettuarvo1vapauttaaaskelmoottorin,jolloinn ytett voidaank nt k sin.4-bittiinannettu1alustaakontrollerin,mik ontarpeenkontrollerin puoliaskeliaeit ss sovellutuksessak ytet,netulisitahdistaaerikseen.3- k ynnist miseksialussa. 8

9 ON/OFF KYTKIN 230V PISTORASIA OHJAUSKORTTI KONDENSAATTORI 1 PUN PUN ELEKTRONIIKKAKORTTI PROPPU PUN OPTOERISTÄÄ TIETOKONEEN PUN ASKELMOOTTORIN OHJAUS- JA TYÖVIRRASTA SIN MUS muuttuja SIN MUS SIN beginn_anglerealmittauksenaloituskulma PROPPU target_anglerealkulma,johonollaansiirtym ss PUN cur_angle Kuva5:XPD:nohjauslaatikko step_angle xpd_steps yes_xpd tyyppiselitys Taulukko1:Yleisetmuuttujat VAL VAL cur_step realnykyinenkulma realkulma/askel integeraskeltenm r XPD-mittauksessa booleantehd nk XPD? VPU SIN PUN xpd_contr_freebooleanonkoaskelmoottorivapautettu? integernykyisenkulmanindeksi TIETOKONE 3.3XPDaliohjelmat Uudetaliohjelmatonsijoitettutiedostoonxpd.pasjaesiteltytaulukossa4. out_name_xpdstringtulostustiedostonnimi initial_xpd call booleanollaankoensikertaavalikossa? booleankutsuukomenu? t envoitehd haluamansavalinnat xpd_menu Aliohjelmaxpd_menutulostaan yt llevalikon,jostanumeron pp imi k yt- MUUNTAJA 1 KONDENSAATTORI 2 MUUNTAJA 2

10 MAIN MENU e XPD OPTIONS S L 0 ASK BEGINNING ANGLE Kuva6:XPS/XPD-mittausohjelmantoiminta SURV MENU R C M 0 seenjokakerrankunvalikkoavataan. Valikkoohjaamuidenaliohjelmientoimintaavalintojenmukaan. tosta c:nxpdnsetnxpd.set.t m siksi,etteiv tvalikkoarvotp ivittyisioletusarvoik- ACQUIRE N Valinta6(askelmoottorivapaalla/kiinni)vaihtaamuuttujanxpd_contr_free ensikertaaxpd-mittausohjelmaaajettaessa.t ll inhaetaanoletusarvottiedos- Ensit ikseenaliohjelmahakeelevylt oletusarvotk ytt ensiihenaliohjelmaa load_xpd_set(kappale3.3.9).t m aliohjelmatestaaavataankovalikko YES arvontosi!ep TOSItaiEP TOSI!TOSI.ArvoTOSItarkoittaasit, XPD? NO loinmoottoripit n ytett paikallaan. moottorinkahvasta.arvollaep TOSIantaakontrollerivirtaamoottorille,jol- ett kontrollerieiannamoottorillevirtaa,jolloinn ytett voik nt k sin 10 ASK ANGLE/STEP ASK N OF STEPS ACTIVATE XPD INIT STEP MOTOR FREE CONTROL ASK CURRENT ANGLE GOTO BEGINNING ANGLE ASK OUTPUT FILE SAVE XPD SETTINGS LOAD XPD SETTINGS RETURN TO MAIN MENU

11 vakio Beginning angle: E-03 Angle per step: E+ step_port Number of steps: 3 status_portkuva7:esimerkkiotsikkotiedostosta File group name: test File #0: test0.fit,angle IO_control_portinteger$2c3IO-kortinohjausportti File #1: test1.fit,angle 0.0 a_out_b_in Taulukko2:Yleisetvakiot File #2: test2.fit,angle 10.0 tyyppiarvoselitys integer$2c0askelmoottorinkontrolleriin integer$2c1askelmoottorinkontrollerinstatusportinosoite viev nportinosoite integer$82porttiaoutput,porttibinput File #3: integer1 test3.fit,angle 20.0 step_forw_bf step_bckw_bfinteger2 step_free step_controlledinteger0 reset_stepper integer3 integer8 ka komento:askeleteenp in,v liai- turn_per_stepreal0.8vakio:yhdenaskeleenpituus integer16komento:alustaaskelmoottorin kontrolleri komento:askeltaaksep in,v liai- komento:askelmoottorivapaalle komento:askelmoottorikiinni 3.3.2step Aliohjelmastep(length:real)siirt askelmoottorillan ytett kulman lengthverran.kulmavoiollajokonegatiivinentaipositiivinen. asteina jakamallaseyhdenaskeleenkulmallajapy rist m ll kokonaisluvuksi.t m aiheuttaasen,etteikulmansiirtooleaivantarkka:yhdenaskeleenkulmaon (Kappale3.3.3).Annettukulmamuutetaanaskelmoottorinaskeltenm r ksi 0.8astetta. Ensiksialiohjelmaalustaakontrollerinaliohjelmallainitialize_stepmotor 11

12 komento askeleteenp in,v liaika askeltaaksep in,v liaika askelmoottorivapaalle Taulukko3:Askelmoottorinkomentokoodit alustaaskelmoottorinkon-nobitrolleri go/-bw/fwh/ff/nfdo/ bittienmerkitys tyyppinimi procedurexpd_menu procedurestep(length) procedureinitialize_stepmotoraskelmoottorinalustus procedurestepper_status procedurelet_stepmotor_freeaskelmoottorinvapautus3.3.5 procedurelet_stepmotor_contraskelmoottorikontrolloitu3.3.6 Taulukko4:Aliohjelmattiedostossaxpd.pas procedureemergency_breakpikasulku selite XPD:nvalikko n ytteenk nt askelmoottorinstatus esittely functionif_yy(text) procedureload_xpd_set proceduresave_xpd_set testikyll /eikysymyksiin3.3.8 XPD-asetustenhakulevylt proceduresave_anglele XPD-asetustentallennus otsikkotiedostontallennus levylle

13 XPD STEP OPTIONS 1 Beginning angle (deg) Angle / step (deg) Number of steps 20 4 XPD active TRUE 5 Initialize control 6 Free control - manual turn FALSE 7 Current angle trollerin.24-bittineni/o-porttialustetaansiten,ett porttiatoimiioutput- Aliohjelmainitialize_stepmotoralustaaI/O-kortinjaaskelmoottorinkon- 8 Go to beginning angle porttina(komennot)japorttibinput-porttina(status).askelmoottorinkon- trolleritaasalustetaanyhdenbitinkomennollaa-portinpinniin initialize_stepmotor Kuva8:XPD-valikkotietokoneenkuvaruudulla 9 Set output filename test s Save these settings Alustaminenonv ltt m t ntoimenpide,kunvirtaonkytkettyaskelmoottorin l Load new settings ohjauslaatikkoon. 0 Return to menu mallai/o-kortinb-porttia(status).kontrollerillaonkaksistatus-ulostuloa, 3.3.4stepper_status Aliohjelmastepper_statustarkistaaaskelmoottorinkontrollerintilanluke- joissaj nnitteenp ll olomerkitseeloogistaarvoatosi.n m ulostuloton kytke s hk tpoisjaantaakontrollerinj hty rauhassa. merkkej javaroituksia.t ss tilanteessatulisiaskelmoottorinohjauslaatikosta kytkettyi/o-kortininput-porttiin(b),ylikuormituspinniin1(arvo2)jaylikuumeneminenpinniin0(arvo1). Joskontrollerivaroittaaylikuumenemisestatai-kuormituksesta,n yt lletugency_break,kappale3.3.7)vapauttaenaskelmoottorinjaantaenlis nilostuuvaroitus,ohjelmaantaaviisi nimerkki jakeskeytt ty nteon(emer- 13

14 l ins hk virtaaeikuljemoottoriineik moottoripid n ytett paikallaan.lait let_stepmotor_free Aliohjelmalet_stepmotor_freevapauttaaaskelmoottorinkontrollista.T lteistonkitkakyll kinest n ytett k ntym st itsest n.vapautettuaaskelmoottoriavoikahvastak nt k sinjasitens t haluttuunpaikkaan. seonhyvinty l st eik niinpit isitehd. liin.s hk virtaakuluujaaskelmoottoripit n ytett paikallaanvarsinsuurella voimalla.n ytett onmahdollistak nt askelmoottorinkahvastak sin,mutta Aliohjelmalet_stepmotor_controttaaaskelmoottorintakaisinkontrol emergency_break 3.3.6let_stepmotor_contr Aliohjelmaemergency_breakvapauttaaaskelmoottorinkontrollista,kehotjaintaytaiY.PalautteenaTOSI,josytaiYl ytyy,muutoinep TOSI.T t 3.3.8if_yY Aliohjelmaif_yY(text:string)tarkistaa,onkoannetussamerkkijonossakirtaak ytt j sammuttamaanohjauslaatikonjaantaanopeastikymmenenper kk ist nimerkki.aliohjelmaakutsutaan,josstepper_status(kappale 3.3.4)saatulokseksikontrollerinolevanylikuumennuttai-kuormittunut. aliohjelmaak ytet nk ytt j nsy tteentarkistamiseenkyll /ei-kysymyksiss. ohjelmaajament ess ensikertaaxpd-valikkoon,k ytet nt t aliohjelmaa TOSI. oletusarvojenhakemiseen.t ll inyleinenmuuttujainitial_xpdonarvoltaan tukset.t m voidaantehd valitsemallaxpd-valikosta`l'.k ynnistett ess 3.3.9load_xpd_set save_xpd_set Aliohjelmaload_xpd_sethakeelevylt aikaisemmintalletetutxpd:nase- tietynmuutujanarvo(kuva9) save_anglele Aliohjelmasave_anglefiletallettaalevylleXPD-tulostiedostojenotsikkotiedoston(Kuva7).Otsikkotiedostostal ytyyaloituskulma,erikulmillamitatun Aliohjelmasave_xpd_settallettaalevylleXPD:nasetuksetmy hemminhaettavaksi.asetuksettalletetaanascii-merkkein siten,ett kullakinrivill on datantiedostonimet,p iv m r yms.14

15 MERKITYS: E+00 beginn_angle = -10 tusvaiheessaont rke toisaaltakoskarakentajateiv toleloputtomiinpaikalla 4Pohdinnat Tutkimuslaitteidenjaniit ohjaavienohjelmienriitt v dokumentointivalmis- Kuva9:EsimerkkiXPD-mittauksenasetuksista E+ step_angle = 10 (taiohjelmak nt jien)ohjekirjojens ilytt minenont rke samastasyyst. 3 xpd_steps = 3 10vuodenkuluttuaohjelmank nt mist eiv ltt m tt osaakukaankuinonnella. jatoisaaltakoskaedestekij eimuistakaikkea.ostettujenlaitteiden,ohjelmien 1 yes_xpd = TRUE 1 xpd_contr_free = TRUE Ohjelmanheikkokohtaonmoottorinaskelluksentahdistus.Sen ytt olevan E+ cur_angle = 100 arvotjak nt m ll ohjelmauudelleen.t m eioleyksinkertaista,jotenon pyritt v ajamaanohjelmaaainamahdollisimmansamassatilassaesimerkiksi herkk tietokoneentoimintanopeuteenvaikuttavilletekij ille:oheislaitteille,aje- k ynnist m ll tietokoneuudelleenennenohjelmanajoa. tettavaaliohjelmanstepfor-lauseetuudelleenm r m ll indekseilleuudet tuillemuilleohjelmillejak ytt j rjestelm nasetuksille.huonoaskellusonhel- postihavaittavissametelin,jaonep tarkkaa.asiankorjaamiseksiontahdis- 15

16 2200 µ F 16 SULAKE ASKELMOOTTORIN OHJAUSKORTTI PVP ac 2ac c 14a 16a 18a 16c DC +15V - +24V 0V DC +12V - +36V 4ac 6ac 8ac 10ac 20c 20a 12c 26c 1 kohm kohm 1 kohm +5 V ASKELMOOTTORI AOhjauslaatikonkytkent kaavio 4700 µ F SULAKE 392 Ohm 392 Ohm 392 Ohm 392 Ohm 392 Ohm 10 kohm 10 kohm 10 kohm A0 A1 A2 A3 A4 B0 B1 PORTTI A PORTTI B 230 V TIETOKONE

17 Viitteet [1]H.L th,surfacesandinterfacesofsolidmaterials(springer,berlin,1995), [4]K-H.Rollke,TurboPascal(Amersoft,Espoo,1986). [2]J.Vaari,J.Lahtinen,T.Vaara,andP.Hautoj rvi,anxpdandissstudy [3]InsturctionManual:RNNSeriesDierentiallyPumpedRotarySeals 346,(1996), ofthe(22)-(co+k)coadsorptionstructureonco(00),surf.sci. (ThermionicsNorthwest,Inc.,PortTownsend,1990). 17