Misure RBS−channeling con porta

Misure RBS−channeling con porta-campioni a posizionamento automatizzato
"La scelta di LabVIEW permette di integrare
rapidamente funzioni per il controllo di nuovi
strumenti, al fine di soddisfare le richieste che
comporta il continuo sviluppo della ricerca"
- C. Ferrari, ITIS F. CORNI (http://www.itiscorni.it)
La sfida:
Eseguire automaticamente misure RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry) su diversi campioni, al fine di evitare al tecnico addetto all’impianto
lunghe e laboriose operazioni di posizionamento e soprattutto, per consentire al sistema di funzionare per lunghi periodi in “stand alone”.
La soluzione:
Costruire un goniometro in cui il posizionamento dei portacampioni e dei portarivelatori è controllato per mezzo di quattro motori passo-passo ad alta
precisione, comandati da un applicativo realizzato con LabVIEW che gestisce anche il monitoraggio, l’acquisizione e l’archiviazione delle misure
eseguite.
Autore (i):
C. Ferrari - ITIS F. CORNI (http://www.itiscorni.it)
M. Benassi - UNIVERSITÀ AGLI STUDI DI MODENA E REGGIO EMILIA
A. Magnani - UNIVERSITÀ AGLI STUDI DI MODENA E REGGIO EMILIA
La tecnica RBS permette di determinare la composizione e la struttura di un campione solido facendo incidere sulla superficie del materiale un fascio
ionico di energia dell’ordine del MeV e andando ad analizzare l’energia degli ioni backscatterati attraverso due rivelatori a semiconduttore posti a diverse
angolazioni.
Questa tecnica richiede una camera portacampioni ad una pressione almeno di 1x10-6 mbar.
Con una soluzione non automatizzata, al termine di ciascuna misura l’operatore deve cambiare il campione, talvolta riposizionare i rivelatori e infine
attendere il ripristino delle condizioni di pressione necessarie affinché la successiva misura possa essere eseguita correttamente: considerando che di
norma i campioni da analizzare sono molti, è evidente che una simile procedura, assai dispendiosa in termini di tempo, debba essere migliorata.
Il progetto è nato da un’idea di un team di docenti e tecnici del Dipartimento di Fisica dell’Università di Modena e Reggio Emilia, coordinata dal Prof.
G.Ottaviani.
UniMORE ha realizzato la parte meccanica ed elettrica di un goniometro (Figura 1) in cui un portacampioni, di forma prismatica a base ottagonale, nel
quale sono state ricavate 32 posizioni per accogliere altrettanti campioni, viene movimentato da due motori passo-passo MICOS funzionanti in vuoto (per
spostamenti verticale e rotazione).
Attorno ad esso ruotano due portarivelatori che, azionati da motori passo-passo MICOS, determinano il posizionamento dei due rivelatori rispetto al
campione con una precisione del centesimo di grado.
Nel goniometro sono anche installati 8 finecorsa meccanici, utilizzati durante le procedure iniziali, per assegnare il punto di partenza (home) dei quattro
assi precedentemente definiti.
Per il controllo/comando dei motori, si è optato per un sistema composto da una scheda Stepper Motion Controller NI 7344 unitamente a uno stepper
Motor Drive NI MID-7604, per il quale UniMORE, sfruttando appieno le potenzialità di Motion Control di National Instruments, ha approntato i VI che, oltre
ad inizializzare il sistema, ricevendo in ingresso le informazioni inerenti le coordinate del campione da porre sotto misura e l’angolo di posizionamento dei
rivelatori, provvedono a pilotare l’elettronica secondo le specifiche imposte.
L’applicazione complessiva, realizzata ITIS Corni Modena ha integrato le funzioni di movimentazione in un software più complesso, nel quale è prevista
l’acquisizione dei segnali provenienti dai due rivelatori attraverso dei moduli ORTEC MatchMaker collegati al PC tramite porta ethernet e la lettura della
quantità di carica raccolta dal campione letta mediante di un contatore/timer ORTEC 994 collegato all’elaboratore per mezzo di una scheda NI PCI-GPIB.
Come mostrato in Figura 2, l’operatore compila un database di 32 cluster dove sono elencati i parametri di tutte le misure che si vogliono eseguire;
durante questa fase, il software esegue il controllo sulla correttezza degli angoli impostati per i rivelatori, in modo che siano compatibili con i vincoli imposti
dalla meccanica del goniometro.
Una volta ultimata quest’elaborazione, è possibile mandare in esecuzione le misure; ciò comporta l’entrata in funzione dei motori presenti nel sistema, con
relativa segnalazione all’operatore, fino a quando sono raggiunte le coordinate impostate nella prima riga del database.
A questo punto, ha effettivamente inizio la misura grazie ad un comando digitale generato attraverso la scheda PCI, che consente al fascio ad alta
energia di colpire il campione; successivamente l’operatore può verificare in tempo reale su due waveform l’andamento della misura (Figura 3), avendo la
possibilità di interromperla in qualsiasi momento qualora ciò si rendesse necessario.
Terminata la misura, il fascio viene intercettato e i dati ottenuti vengono salvati su hard-disk in un formato tale da poter poi essere analizzati da ulteriori
software quali RUMP e GENPLOT.
Concluso il ciclo di operazioni sul primo campione, l’applicazione va a leggere nel database le coordinate relative al successivo campione e si ripete
nuovamente il processo fin qui visto, fino a che l’ultimo campione risulta essere analizzato.
Tutta l’applicazione è tuttora testata e in continuo aggiornamento presso i laboratori dell’INFN di Legnaro da UniMORE; fin dalle prime prove sul campo, è
stato constatato che questo sistema permette di ridurre anche del 50% il tempo impiegato per svolgere un centinaio di misure rispetto alla soluzione
manuale.
Si prevede, come prossima notevole evoluzione, di aggiungere un sistema per la centratura del fascio che si baserà sulla lettura, tramite scheda
d’acquisizione dati PCI, delle correnti ioniche che incidono sui vari elettrodi, solidali al goniometro e disposti circolarmente rispetto al centro della camera.
Quando il fascio non è allineato con il centro della camera, colpisce gli elettrodi esterni; compito del sistema sarà quello di automatizzare il movimento di
alcune slitte in modo da massimizzare la corrente nell’elettrodo centrale.
Per lo sviluppo del software di simulazione è stato utilizzato LabVIEW installato su un personal computer Beckoff con processore Intel Pentium IV 1.66
GHz, 1 GB DDR2 e sistema operativo Windows XP Professional.
La scelta di LabVIEW è motivata dalla passata esperienza del gruppo, che si è occupato dello sviluppo di questo progetto, in diverse applicazioni di
automatizzazione di sistemi d’acquisizione dati nell’ambito della ricerca, nelle quali si sono basati su questa piattaforma molto versatile. Quest’ultima
permette anche di integrare rapidamente funzioni per il controllo di nuovi strumenti, al fine di soddisfare le richieste che comporta il continuo sviluppo della
ricerca.
Dati gli aspetti inerenti il posizionamento assi e le alte precisioni richieste, si è ritenuto che la proposta National Instruments nel campo della
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Dati gli aspetti inerenti il posizionamento assi e le alte precisioni richieste, si è ritenuto che la proposta National Instruments nel campo della
movimentazione assi, in termini di software e di hardware, fosse la più adeguata, tenuto anche conto del fatto che tutta questa gestione doveva poi essere
integrata con quella di altre apparecchiature, per le quali a suo tempo erano già stati sviluppati complessi VI.
Informazioni sull'autore:
C. Ferrari
ITIS F. CORNI (http://www.itiscorni.it)
[email protected] (mailto:[email protected])
Figura 1 - Goniometro con porta campioni
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Figura 2 - Database organizzazione portacampioni
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Figura 3 - Front panel dell'applicazione complessiva
Informazioni Legali
Questo case study (questo "case study") è stato fornito da un cliente di National Instruments ("NI"). QUESTO CASE STUDY È FORNITO SENZA NESSUN TIPO DI
GARANZIA ED È SOGGETTO AD ALCUNE LIMITAZIONI PIÙ SPECIFICATAMENTE DESCRITTE NEI TERMINI D’USO DI NI.COM
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