Лабораторная работа «Основы работы на сканирующем зондовом микроскопе»

Работа посвящена освоению базовых принципов работы на современном сканирующем зондовом микроскопе (СЗМ). Работа состоит из трех частей:

1. Теоретическая часть
2. Практическая часть
3. Обработка результатов

Для обучения используется СЗМ модели «ФемтоСкан» (Центр перспективных технологий), программное обеспечение «ФемтоСкан Онлайн», офисный пакет (OpenOffice.org или Microsoft Office)

Студенты знакомятся с устройством микроскопа, основными компонентами, принципом функционирования обратной связи. Доступ к обучающим материалам предоставляется через специализированный веб-сайт (distant.phys.msu.ru)

• Сканирующий атомно-силовой микроскоп
• Устройство АСМ

• Обратная связь (техника)

• ПИД-регулятор
• PID_controller

• о методе Циглера-Никольса
• Дискретная реализация
• Ziegler–Nichols method

• http://www.ntmdt.ru/spm-principles/view/force-distance-curves

* http://www.mechmat.caltech.edu/~kaushik/park/1-6-2.htm Эволюция систем управления зондовыми микроскопами Управление прибором в удаленном режиме – особенности, преимущества, недостатки

Состоит из следующих заданий:

1. Настройка параметров обратной связи. Доступ к установке осуществляется через Интернет посредством веб-браузера. Студенты должны подобрать звенья цепи обратной связи для оптимального отклика системы на возмущение.
2. Настройка параметров обратной связи по методу Циглера-Никольса. Доступ к установке осуществляется через Интернет посредством программы «ФемтоСкан Олайн». Студенты должны подобрать звенья цепи обратной связи для оптимального отклика системы на возмущение, используя метод Циглера-Никольса.
3. Сканирование образца. Доступ к установке осуществляется с помощью специализированного программного обеспечения. Студенты должны получить изображения образцов и произвести их анализ.

1. На сайте www.nanoscopy.org в разделе Scan Online произвести поочередную настройку интегрального и пропорционального звеньев, устанавливая одно из звеньев в 0 и варьируя второе от 0 до 10 с шагом 0.5, от 10 до появления генерации с шагом 5. Зафиксировать значения, при которых возникает генерация, с точностью до 0.1.
2. Подобрать пару значений интегрального и пропорционального звеньев, при которых оптимально отслеживается тестовый профиль.

Только один пользователь может управлять прибором – остальные являются наблюдателями. При подключении через браузер пользователь первоначально является наблюдателем, а при запуске процесса настройки (кнопка Start ) начинает управлять прибором. По окончании настройки ( Stop ) пользователь опять становится простым наблюдателем.

Чтобы избежать поломки прибора неопытным пользователем, для выполнения задания используется макет микроскопа – выход сигнала обратной связи замкнут на координату Z .В реальном приборе отклик системы будет иметь другие характеристики, соответственно оптимальные значения звеньев будут отличаться.

• Скриншоты браузера с указанием значений звеньев в виде одной презентации.
• Скриншот с оптимальными значениями звеньев.
• Обоснование выбора оптимальных значений (текст в свободной форме, можно в виде комментариев к файлу скриншота)

В программе «ФемтоСкан Онлайн» (см. руководство программы) произвести настройку пропорционального и интегрального звеньев:

1. Подключиться к серверу www.nanoscopy.org порт 25000 (стр. 23 руководства)
2. Запустить процесс «Модуляция Z» (стр. 30, 35 руководства)
3. Подобрать пропорциональное и интегральное звенья по методу Циглера-Никольса для ПИ регулятора (Исходные данные: частота дискретизации 15 КГц)

Для расчета использовать следующие формулы

Установить программу « ФемтоСкан Онлайн », скачав последнюю версию с сайта. При установке выбрать тип установки «Обычная», либо при выборочной установке не устанавливать серверные компоненты (они ставятся только на компьютере непосредственно подключенном к прибору). Запросить у преподавателя ключ для регистрации программы (временная версия без ключа не позволяет подключиться к прибору). После регистрации в программе должно появиться меню «СЗМ» (ограничение по времени использования при этом может остаться).

Для измерения периода автомодуляции нужно:

1. Остановить процесс - появится новое окно с копией кривой модуляции.
2. Выделить на кривой маркерами участок с автогенерацией и сделать его копию (Кривая/Копировать).
3. На появившемся участке измерить период колебаний более точно маркерами или на спектре.

• Файлы с кривыми модуляции, полученными в процессе работы. На кривых должна быть отчетливо видна автомодуляция.
• Презентация с описанием расчета звеньев по методу Циглера-Никольса для ПИ-регулятора, с формулами расчета.

1. Запустить программу ФемтоСкан Онлайн
2. Подключиться к серверу (адрес узнать упреподавателя), команда меню СЗМ/Подключиться клиентом. При подключении в поле «Пользователь» указать свою фамилию, иначе результаты сканирования могут быть не защитаны ввиду невозможности идентификации.
3. Перейти в режим управления (меню программы СЗМ/Подключиться Мастером)
4. Произвести первоначальный подвод (при необходимости)
5. Осуществить калибровку по кривой подвода-отвода F ( Z )
6. Получить изображения образца с разнымразрешением:
   1. Изображение максимального поля сканирования (максимальные ширина и высота в окне параметров на закладке «Поверхность»)
   2. Изображения 4-х квадрантов максимального поля:

• Файлы с полученными изображениями (1 – общее поле, 4 – квадранты) в формате .spm
• Копия кадра общего поля с помеченными объектами
• Таблица измеренных значений (высота, ширина, глубина)
• Гистограммы распределения по высоте, ширине, глубине (в формате Excel или Calc).

Обработка результатов производится в специализированном программном обеспечении «ФемтоСкан Олайн». Результаты сканирования обрабатываются, анализируются, подготавливается отчет.

Отчет включает:

1. Скриншоты веб-браузера
2. Файлы с данными снятых кривых
3. Файлы с данными сканированной поверхности
4. Гистограммы распределения объектов по длине, ширине, высоте(глубине)

Отчетные материалы предоставляются в виде файла-презентации на электронную почту или через веб-интерфейс.