Аппаратная часть. Приборы и оборудование

Лабораторная работа выполняется на комбинированном учебном комплексе ФКЛ-1М-1К, имеющим сопряжение с ПК, но допускающим ручной (автономный) режим работы. Все параметры эксперимента, установленные и измеренные значения параметров выводятся в соответствующие окна программы - оболочки для работы с установкой – LabVisual 2.5 и дублируются на ЖКД LCD дисплее учебной установки. Лабораторный комплекс может работать как в сопряжении с ПК, так и в ручном режиме работы, для которого не требуется наличие компьютера.

Схема эксперимента приведена на рис. 3.1.

u naHBhCU7Gu5orI6GMJJSS+45G803flxG2gYr/MIsrQw1Al+0rzaeRERtZwYHrrQPUfJhd8PCPbxH 1PkPm90DAAD//wMAUEsDBBQABgAIAAAAIQDeCHWJ4gAAAAoBAAAPAAAAZHJzL2Rvd25yZXYueG1s TI/BTsMwEETvSPyDtUjcqJM0bWjIpkKgcEBCiAIHbk5s4kC8jmy3Tf8ec4Ljap5m3lbb2YzsoJwf LCGkiwSYos7KgXqEt9fm6hqYD4KkGC0phJPysK3PzypRSnukF3XYhZ7FEvKlQNAhTCXnvtPKCL+w k6KYfVpnRIin67l04hjLzcizJFlzIwaKC1pM6k6r7nu3NwjNPT/ZoJ+e31dT4R4fPpqvddsgXl7M tzfAgprDHwy/+lEd6ujU2j1Jz0aEZZ5GEiFPsxxYBDabrADWIqyKZQ68rvj/F+ofAAAA//8DAFBL AQItABQABgAIAAAAIQC2gziS/gAAAOEBAAATAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAABbQ29udGVudF9UeXBl c10ueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhADj9If/WAAAAlAEAAAsAAAAAAAAAAAAAAAAALwEAAF9yZWxz Ly5yZWxzUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAAEcI1btAQAAqQMAAA4AAAAAAAAAAAAAAAAALgIAAGRycy9l Mm9Eb2MueG1sUEsBAi0AFAAGAAgAAAAhAN4IdYniAAAACgEAAA8AAAAAAAAAAAAAAAAARwQAAGRy cy9kb3ducmV2LnhtbFBLBQYAAAAABAAEAPMAAABWBQAAAAA= " filled="f" stroked="f">

Рис. 3.1. Принципиальная блок — схема эксперимента по наблюдению изотопического сдвига. 1 — осветитель с водородно-дейтериевой лампой типа ДВС-25 и фотодатчиком (модель фотоприемника); 2 – ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ и источник питания для лампы; 3 – ПЭВМ для визуализации спектрограмм и последующей их обработки.

Источник света — водородно-дейтериевая газоразрядная лампа ДВС-25, в которой, кроме водорода, присутствует некоторое количество дейтерия в виде примеси, помещается напротив фотоэлектрического приемника.

Лампа ДВС-25 представляет собой стеклянный баллон с впаянными внутрь электродами – катодом и анодом. Разряд в лампе возникает при столкновении ускоренных электронов с молекулами H2 или D2. Образуемые при этом электроны и ионы поддерживают разряд. Эти же частицы ответственны за появление интенсивного рекомбинационного свечения разряда в ультрафиолетовой области спектра. Кроме областей непрерывного спектра, при рекомбинации наблюдаются также спектральные линии, соответствующие обычному эмиссионному спектру атомов и молекул водорода и дейтерия. Возбуждение их происходит главным образом за счет электронных ударов. Кроме этого, для облегчения зажигания лампы, внутрь трубки введено небольшое количество примеси неона. Если давление водорода и дейтерия в трубке достаточно, то в спектре свечения на фоне молекулярного спектра H2 появятся яркие линии атомов водорода и дейтерия. Питание анода лампы осуществляется от специального источника питания с регулировкой тока анода в диапазоне до 320 мА. В цепь катода (накала) лампы ДВС-25 подаётся ток от регулируемого источника тока в диапазоне 0 — 2,5 А. После зажигания разряда между катодом и анодом, ток накала снижается до нуля. В случае нестабильного разряда, можно увеличить ток накала до 1 Ампера, при этом поддерживая ток анода в диапазоне 250 — 300 мА. Ток анода во время работы лампы не должен превышать 300 мА. Ток анода является током разряда в водородно-дейтериевой смеси, наполняющей лампу.

Работа оптической части (прибора с высокой разрешающей силой) заменяется моделью фотоприемника, максимальная чувствительность которого условно изменяется в зависимости от подачи на него различного напряжения смещения, что позволяет развернуть спектрограмму по длине волны и получить зависимость интенсивности спектральной линии I от длины волны λ: I=I(λ). Напряжение на фотоприемнике уже проградуировано в длинах волн. Фотоприемник расположен в осветителе соосно с источником излучения.

Пульт управления содержит переключатель «СЕТЬ аналоговая часть» и кнопку «СЕТЬ цифровая часть». Перед началом работы проверить положения всех ручек регулировки. Ручки регулировки «АНОДНЫЙ ТОК» и «ТОК НАКАЛА» для лампы ДВС-25 должны быть повернуты до упора против часовой стрелки. При этом ток накала на катод лампы не подается, анодное напряжение также выключено.

Необходимое питание подаётся на лампу от ПУЛЬТА УПРАВЛЕНИЯ, который соединяется с осветителем специальным трех проводным кабелем. Фотодатчик, расположенный в осветителе соосно с лампой, соединяется с ПУЛЬТОМ УПРАВЛЕНИЯ кабелем типа «тюльпан — тюльпан».

В начале работы следует включить источник света — лампу ДВС-25, используя переключатель «СЕТЬ. АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ» и настроить лампу, соблюдая следующий порядок включения лампы ДВС-25 (при этом цифровая часть прибора должна быть отключена — измерительная система и ЖКД дисплей выключены):

1) Подать на накал (катод) лампы ток в диапазоне 2 — 2, 5 А, регулируя этот ток ручкой «ТОК НАКАЛА» и контролируя значение тока накала амперметром.

2) После примерно 30 секундного прогрева катода включается анодное напряжение плавным вращением ручки «АНОДНЫЙ ТОК». При этом должен начаться дуговой разряд в лампе.

3) Сразу после возникновения дугового разряда в лампе, снизить ток накала до значения 0,5 — 1 Ампера, регулируя этот ток ручкой «ТОК НАКАЛА» и контролируя значение тока накала амперметром.

4) Отрегулировать анодный (разрядный) ток лампы, вращением ручки регулировки «АНОДНЫЙ ТОК» и контролируя этот ток миллиамперметром. Анодный ток следует поддерживать в диапазоне 250 — 300 мА. Ток анода во время работы лампы не должен превышать 300 мА.

5) После окончательного прогрева лампы, для которого обычно требуется не более 3 — 5 минут выключить «ТОК НАКАЛА» плавно убавив его до нуля ручкой «ТОК НАКАЛА».

6) После прогрева лампы включается цифровая часть цепей питания прибора нажатием клавиши «СЕТЬ. ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ». Это сделано для исключения влияния паразитных переходных процессов во время включения лампы на микропроцессорную систему управления учебной установкой.

7) Для отключения установки следует сначала отключить цифровую часть кнопкой «СЕТЬ. ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ», при этом отключится ЖКД дисплей и измерительная система, затем ручкой регулировки «АНОДНЫЙ ТОК» убавить анодный ток лампы ДВС-25 до нуля и выключить аналоговую часть переключателем «СЕТЬ. АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ».

После включения цифровой части и появления на ЖКД дисплее надписи «CONNECTING...», лабораторный комплекс необходимо проинициализировать. Сделать это возможно непосредственно с учебной установки, нажимая и удерживая кнопку «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ/USB» до тех пор, пока индикатор уровня инициализации на ЖКД экране не достигнет правого конца дисплея, либо с помощью программы управления учебной установкой. Для этого, после включения цифровой части и появления сообщения «CONNECTING...» на ЖКД LCD дисплее учебного прибора, можно подключить прибор к USB – порту ПК и однократно нажать кнопку «СТАРТ» в программе-оболочке (кнопка используется для конфигурации устройства сразу после включения). При этом начнется процесс инициализации.

После проведения инициализации, USB передатчик учебной установки отключается и прибор переходит в автономный режим работы без ПК «USB OFF». Для включения USB в приборе и последующей работы с программой приема и обработки данных , либо для отключения USB и работы в ручном режиме, следует нажимать кнопку «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ/USB».Это сделано для исключения влияния паразитных наводок в ручном режиме работы, так как если в ручном режиме оставлять приемник-передатчик USB включенным, то возможен приход незапланированных команд управления.

Эксперимент состоит из четырех частей. При помощи многофункциональной кнопки «РЕЖИМ РАБОТЫ», расположенной на передней панели лабораторного модуля имеется возможность выбрать необходимый опыт:

1) Снятие спектральной характеристики водородно-дейтериевой лампы ДВС-25 низкого разрешения 1 нм «spectr 1 nm resol». При этом по нажатию кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» осуществляется сканирование спектра с разрешением 1 нм в видимой области 400 — 700 нм. Удерживание кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» позволяет плавно сканировать весь спектр в заранее предустановленной области.

2) Исследование изотопической структуры спектральной альфа-линии водородной-дейтериевой лампы «alpha». При этом по нажатию кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» осуществляется сканирование спектра с разрешением 0,01 нм в диапазоне 655,70 — 656,69 нм. Удерживание кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» позволяет плавно сканировать весь спектр в заранее предустановленной области.

2) Исследование изотопической структуры спектральной бета-линии водородной-дейтериевой лампы «beta». При этом по нажатию кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» осуществляется сканирование спектра с разрешением 0,01 нм в диапазоне 485,57 — 486,57 нм. Удерживание кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» позволяет плавно сканировать весь спектр в заранее предустановленной области.

3) Исследование изотопической структуры спектральной гамма-линии водородной-дейтериевой лампы «gamma». При этом по нажатию кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» осуществляется сканирование спектра с разрешением 0,01 нм в диапазоне 433,49 — 434,49 нм. Удерживание кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ» позволяет плавно сканировать весь спектр в заранее предустановленной области.

Исследование дельта-линии с длиной волны излучения водорода λδН≈410,17 нм не проводится вследствие её малой интенсивности.

Смена режимов работы (переключение эксперимента) осуществляется кнопкой «РЕЖИМ РАБОТЫ».

Спектрограммы низкого и высокого разрешения, полученные с помощью учебной моделирующей установки ФКЛ-1М-1К представлены на

Рис. 3.2. Спектрограммы, полученные на лабораторной установке ФКЛ-1М-1К для водородно-дейтериевой лампы с низким разрешением 1 нм — а); и с высоким разрешением 0,01 нм для альфа-линии — б). Пунктиром отмечены характерные пики атомарного водорода и изотопическая структура альфа-линии. Видно, что спектральная линия дейтерия Dα несколько смещена влево по длине волны от спектральной линии Hα и имеет меньшую интенсивность, так как концентрация дейтерия в лампе меньшая. Изотопический сдвиг определяется как разность . На спектрограмме а) хорошо видно, что между линиями Hα и Hβ наблюдается множество размытых пиков молекулярного водорода на уровне фона.

Практическая часть.

Подготовка к работе.

Учебная установка может работать как в автономном режиме, без использования ПК, так и в автоматизированном режиме с персональным компьютером.

Для сопряжения работы учебной установки с персональным компьютером используется специально разработанный протокол передачи данных LabVisual, разделяющий байты управления и байты данных. Для визуализации принятых данных служит программа-оболочка для ФКЛ-1М-1К. Установка подключается к USB порту компьютера при помощи специального соединительного кабеля.

Программаможет успешно работать как на компьютерах под управлением ОС Windows так и на компьютерах под управлением ОС Linux при помощи эмулятора среды окружения VirtualBox. На прилагаемых дисках в соответствующих папках содержатся сборки программ для установки и работы в этих операционных системах.

В комплекте с лабораторной установкой поставляется ПЭВМ с предустановленным дистрибутивом среды и установленным и настроенным программным обеспечением .

После загрузки программной среды (~ 1 мин.) автоматически запуститься программа оболочка для работы с экспериментальной установкой. Если программа не запустилась автоматически, на виртуальном рабочем столе следует дважды щелкнуть левой кнопкой мыши на ярлык . При этом должно открыться главное окно программы-оболочки для работы с экспериментальной установкой (рис. 4.1).

Программа имеет интуитивно понятный, дружественный пользователю интерфейс. Пульт управления содержит два переключателя «СЕТЬ»: аналоговая часть и цифровая часть. В начале работы следует включить источник света — водородно-дейтериевую лампу ДВС-25, используя переключатель «СЕТЬ. АНАЛОГОВАЯ ЧАСТЬ» согласно порядку включения, описанному в пункте «ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ. Аппаратная часть. Приборы и оборудование». После 3 — 5 минутного прогрева лампы включается цифровая часть цепей питания прибора нажатием клавиши «СЕТЬ. ЦИФРОВАЯ ЧАСТЬ».

После включения цифровой части и до выполнения конфигурации USB-передатчика учебного прибора, устройство должно быть отключено от USB – порта ПК до соответствующего приглашения пользователя, высвечиваемого на LCD ЖКД дисплее:

Connecting...............................

После появления данного сообщения на ЖКД LCD дисплее учебного прибора, можно подключить прибор к USB – порту ПК и однократно нажать кнопку «СТАРТ» в программе-оболочке (кнопка используется для конфигурации устройства сразу после включения). При этом начнется процесс инициализации прибора. В противном случае, возможна некорректная работа USB протокола и работа устройства.

После проведения инициализации, USB передатчик учебной установки отключается и прибор переходит в автономный режим работы без ПК «USB OFF». Для включения USB в приборе и последующей работы с программой приема и обработки данных , либо для отключения USB и работы в ручном режиме, следует нажимать кнопку «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ/USB».

Рис. 4.1. Главное окно программы-оболочки для работы с экспериментальной установкой ФКЛ-1М-1К.

После соединения прибора с USB – портом ПК и выбора опыта, при запущенной среде, необходимая подпрограмма для измерения должна запуститься автоматически рис. 4.2.

Для ознакомления с программой в отсутствии учебной установки, можно воспользоваться демонстрационным режимом. Для этого в главном окне программы, при отключенном от USB-порта ПК приборе,установите галочку «Демонстрационный режим» и нажмите на кнопку «Переключить». Появится меню, содержащие наименования экспериментов и позволяющее переключаться между ними для ознакомления с интерфейсом программы — оболочки.

Для выхода их демонстрационного режима, в главном окне программы снимите соответствующий флажок и нажмите кнопку «ПЕРЕКЛЮЧИТЬ».

Демонстрационный режим доступен только в том случае, если прибор отключен от USB – порта ПК, в противном случае переключение режимов блокируется.

После запуска программы автоматически включается рабочий режим и ожидается подключение к USB-порту ПЭВМ.

Рис. 4.2. Подпрограмма снятия спектрограммы водородно-дейтериевой лампы низкого разрешения 1 нм.

В данной версии ПО, среда позволяет управлять параметрами эксперимента и учебной установкой непосредственно из окна программы – оболочки.

Для начала работы с программой включите USB передатчик на учебном приборе, нажав кнопку «ИНИЦИАЛИЗАЦИЯ/USB». Затем в окне программы-оболочки выберите кнопкой «ЭКСПЕРИМЕНТ ПЕРЕКЛЮЧИТЬ» необходимый опыт. При этом запустится подпрограмма для измерения, аналогичная рис. 4.2. Кнопка «ЭКСПЕРИМЕНТ ПЕРЕКЛЮЧИТЬ» используется для установки текущего эксперимента, сканирование спектра может осуществляться как по нажатию кнопок «ДЛИНА ВОЛНЫ», так и в автоматическом режиме, для этого следует перевести бегунок «АВТОСКАН» в положение «ВКЛ». Если установить флажок «ПОКАЗАТЬ ГРАФИК», то набираемая спектрограмма будет отображаться в режиме реального времени во всплывающем окне графика. Сканирование спектра как правило занимает около 3 — 5 минут. Для остановки USB и выхода из эксперимента используйте кнопку «ОТКЛ USB», при этом «АВТОСКАН» должен быть отключен. Для визуализации спектрограмм можно воспользоваться подпрограммами, вызываемыми кнопками «ВИЗУАЛИЗИРОВАТЬ» либо «АНАЛИЗИРОВАТЬ». Кнопка «КОПИРОВАТЬ ПОКАЗАНИЯ» служит для переноса данных с измерительных приборов в текстовое поле, для последующего возможного сохранения.

Для сохранения данных из программы во внешний файл-данных, нажмите кнопку «СОХРАНИТЬ ДАННЫЕ» и в стандартном диалоговом окне задайте имя файла для сохранения результатов опыта. При работе в OC Linux в эмуляторе программного кода VirtualBox данные рекомендуется сохранять на виртуальный диск Z:\, последующий доступ к этому виртуальному диску из операционной системы осуществляется как к папке /home/имя_пользователя/LabVisual/DISK_Z, где имя_пользователя по умолчанию pankov. Для обзора папок рекомендуется пользоваться программой Krusader.

Для анализа экспериментальных данных и построения графиков также можно воспользоваться специальным компонентом LabVisual «MagicPlot», вызываемым нажатием кнопки «АНАЛИЗИРОВАТЬ» рис. 4.3.

ВНИМАНИЕ! Для работы компонента MagicPlot для анализа данных необходимо установить последнюю версию исполняющей среды Java 6 (Runtime библиотеки виртуальной машины Java).

Рис. 4.3. Компонент для анализа данных, получаемых на лабораторной установке.

Для импорта данных в подпрограмму — анализатор следует воспользоваться командой Project — Import Text Table. При этом откроется стандартное диалоговое окно выбора файла рис. 4.4.

После импорта файла данных автоматически заполнятся столбцы таблицы A, B компонента. Для построения графика следует выделить мышью столбцы А и В таблицы, для чего, удерживая клавишу Ctrl, щелкнуть левой кнопкой мыши на заголовке столбцов «А», затем «В» и использовать команду Table — Create Fit Plot – Line для отображения данных в виде плавной линии либо Table — Create Fit Plot - Marker, Line&Marker для отображения данных в виде экспериментальных точек.

В появившемся окне графика данных щелкнуть правой кнопкой мыши в области окна и выбрать наилучший масштаб для отображения автоматически: Scale: Best View рис. 4.5.

Цвет символов данных, форму символов и другие параметры можно настроить вызвав диалоговое окно Data Style рис. 4.6 двойным щелчком левой кнопкой мыши на какой-либо экспериментальной точке данных на графике.

Рис. 4.4. Выбор файла для импорта данных.

Анализ данных осуществляется командой Add - с соответствующим выбором функции для анализа данных и последующим нажатием кнопки Fit One Curve для приближения экспериментальных данных единичной функцией либо Fit by Sum для фитирования данных комбинацией нескольких функций. Допускается и рекомендуется в сложных случаях проводить приближение с помощью комбинации из нескольких функций (Fit by Sum).

Рис. 4.6. Настройка изображения и стиля графика.

Рис. 4.5. Настройка автомасштаба графика.

Порядок выполнения.

1. Перед включением установки в сеть проверить целостность всех соединительных сигнальных и сетевых проводов. Все работы по подключению комплекса к компьютеру следует выполнять только при отключенных от сети приборах. Разобраться с принципиальными блок-схемами опытов, в назначении кнопок, переключателей и ручек прибора. На данном шаге НЕ подключайте прибор к USB порту ПК. Подключить осветитель к блоку управления, используя соответствующие провода из комплекта, соединив выходы «ЛАМПА» и «ФОТОДАТЧИК» с соответствующими входами осветителя. Выход «ЛАМПА» обеспечивает подачу напряжения питания на спектральную лампу, а выход «ФОТОДАТЧИК» подает соответствующие напряжения на фотодатчик.

2. При планируемой работе с ПК соединить монитор с системным блоком ПЭВМ, подключить клавиатуру и мышь к системному блоку используя стандартные провода для подключения. Подключить системный блок ПЭВМ и монитор к сети ~220 В.

3. Загрузить операционную систему согласно стандартным процедурам загрузки.

4. При необходимости, настроить компьютер для работы с учебной установкой согласно прилагаемому руководству к среде .

5. Запустить программу для работы с учебной установкой для данного эксперимента пользуясь ярлыком на рабочем столе либо другим способом, указанным лаборантом.