虚拟rheed实验系统的设计与实现

虚拟rheed实验系统的设计与实现

0系统开发平台反射能源高压裂面检测系统（rh）是德国omicron公司的联合分子结构和低温扫描隧道显微镜联合系统（me.lt.stm）（该设备是学校低维半体结构主要部门拥有的大型设备之一。这是一种重要的样品表面结构分析工具。从他们的检测到的高精度透射图像中，我们可以获得样品表面的晶体结构、表面偏移、表面重建和表面粗糙度的信息。本文选择LabVIEW8.2软件作为系统开发平台,通过对RHEED工作原理和样品砷化镓(GaAs(001)＿(2×4))表面不同结构模型的深入研究,设计实现了一个虚拟RHEED实验系统。该研究成果缓解了高校在实验教学放面资金投入与人才培养间的矛盾,具有重要的现实意义,而且因其研究内容与国内一流的大型实验仪器设备密不可分,故在科研方面具有其创新性,因此该研究具有双重意义。我选择LabVIEW8.2专业版软件作为此虚拟实验系统的开发工具,缘于目前在虚拟仪器这一领域内,使用较为广泛的开发环境就是美国国家仪器公司(nationalinstrumentscorp,NI)的虚拟仪器开发平台LabVIEW(laboratoryvirtualinstrumentengineeringworkbench)。而8.2版本是NI发布的LabVIEW20周年纪念版的命名,具有一定的历史意义。此开发环境下的相应语言为图形化编程语言(graphicalprogramminglanguage,G语言)。它用图标代替文本行创建应用程序,采用数据流编程方式,既直观又灵活,可将开发应用系统的速度提高4～10倍。2音乐环境设计学生初次进入此虚拟实验系统后,可填写注册信息来获得自己的登录通行证,随后直接输入自己的登录信息进行登录,待系统验证身份后,便可进入虚拟RHEED实验平台进行实验。一个完整且运行良好的虚拟RHEED实验系统,是建立在其各个组成模块正确实现其功能的基础之上的。在整个系统的设计中主要包含的模块有:用户信息验证模块,系统帮助模块,声音伴随播放模块,退出系统模块,样品表面结构模型选择模块,入射电子束的活动因子输入模块,出图放大清屏选择模块,颜色设置及恢复默认模块,模型特征参数显示模块,RHEED图谱显示模块,实验结果保存模块。各模块在系统中的组织结构如图1所示。(1)系统主界面模块:用户信息验证子模块包含用户注册和登录两部分功能。注册信息含学号、姓名和密码,登录信息需输入学号和密码,只有当系统验证登录信息输入无误后,用户方可进入虚拟RHEED实验平台进行实验操作。此部分的设计与LabVIEW访问数据库有关。系统帮助子模块内的帮助文档功能主要是提供有关实验室、实验设备、RHEED工作原理等的一些简介及图片,以便用户对此系统的开发背景及基础有所了解。音乐伴随播放模块的设计是出于对系统在人性化友好交互方面的考虑,当用户进入系统主界面,音乐响起,一旦用户有所操作,音乐便会停止。(2)虚拟RHEED实验平台模块:样品表面结构模型子模块存放了样品砷化镓(GaAs(001)＿(2×4))表面,,2和共4种不同的结构模型名称,模型特征参数子模块用于显示相应结构模型的表面原子排列特征信息,如晶胞宽、长、二聚体数目及位置。入射电子束的活动因子子模块包含了4个控制部分,分别是入射电子束的加速电压、入射电子束沿晶体表面的理想入射方向、入射电子束与理想入射方向的偏差角和入射电子束与晶体表面方向的夹角,这4部分的任何变化都会实时敏锐地反映在RHEED图谱的光斑图像上。改变入射电子束的加速电压实际就是对入射电子束的电子能量进行了改变。改变入射电子束沿晶体表面的理想入射方向,相当于在实际实验时,将摆放样品的托盘进行旋转,以使入射电子束沿晶体表面的理想入射方向发生变化。入射电子束与理想入射方向的偏差角的设计是考虑到在真实实验中入射电子束方向与理想入射方向会存在00～50的偏离。入射电子束与晶体表面方向的夹角即为入射电子束在晶体表面的掠入角度,在实际实验中,其范围控制在00～50间。对于出图放大清屏选择子模块和颜色设置及恢复默认子模块,是用于在显示界面中产生RHEED图谱并使其更清晰化和鲜明化,以便于实验者的观测分析。实验结果保存模块的设计旨在通过将保存下来的理想情况下的RHEED图谱与实际照片进行对照,使实验者在后续的学习中更加深入。3rheed实验平台的设计3.1rheed图谱设计虚拟RHEED实验平台是整个虚拟实验系统构建中的重中之重。其前面板设计采用强度图作为显示器件,它常用来形象地显示热成像图、地形图等,其输入是一个二维数组,它用X轴和Y轴来标志坐标,用颜色来表示该点的值,这正满足了RHEED图谱中那些强弱变化的光斑要在不同位置上显示的要求。从模块化角度出发,设计采用了簇的方式排版,将簇和部分功能模块一一对应。此外,设计采用的枚举控件,单选按钮控件,布尔控件及旋钮控件均是出于对用户实验操作的便捷性及实验结果的精确性的考虑。对于一些输入控件采用了默认设置,实验者进行实验时可以随意更改其值。3.2功能模块和环虚拟RHEED实验平台的前面板搭建好之后,只有创建正确的程序框图才能对前面板中的对象进行控制,从而得到正确的实验结果。程序框图是图形化源代码的集合,其设计流程如图2所示。在程序设计中,整个虚拟实验平台的运行采用一个While循环来控制,靠停止按钮的按下与否来决定是否终止实验,为了大幅降低LabVIEW在执行While循环时CPU利用率,循环体中加入了1000ms的时间间隔。而在这个大While循环体中又采用了顺序结构来按步设计每一个功能模块,先是那些可以并行完成的前期准备工作,比如:设置和初始化,接下来的倒格矢计算,晶胞内二聚体位置的确定,电子波矢的计算3大模块都由对应的子VI来完成,各子VI的设计主要以固体物理学中的晶体结构,晶格周期性,基矢,倒格子,晶体衍射等原理知识作为理论基础,随后依据X射线衍射方程,反射公式和反射球原理,在双层嵌套循环中通过层层判断,找到满足要求的数据(横纵坐标及强度值),替换初始化RHEED矩阵中相应位置上的值并在强度图上呈现理论上的RHEED光斑图谱。此部分是系统平台设计的核心所在。对于放大功能模块所对应的子VI设计是将每个点的强度值复制到它的上,下,左,右,左上,左下,右上,右下8个方向上,进而得到比初始光斑点大了一倍的清晰光斑点图。颜色设置模块所对应的子VI直接与用来显示RHEED图谱的强度图的色码表属性相关联,设计通过分别界定红绿蓝三原色的最初值,最终值及中间值来改变显像颜色。实验结果保存模块是通过调用显示RHEED图谱的强度图的获取图像方法节点与写入PNG文件节点来实现其功能的。3.3理想情况下的rheed图谱的理论分析和应用当实验者在虚拟RHEED实验平台上的操作为:保持样品表面结构模型与入射电子束的各活动因子的默认设置值时,放大后所得的理想情况下的RHEED图谱如图3所示。将该实验结果与真实实验所得照片进行比较,可知两个图谱的成像图形是大同小异的。故该设计合理成功。该设计成果是理想情况下的RHEED图谱,它与真实照片间存在的“大同”,正体现了该设计思想的准确无误,它依据的是固体物理学方面有关晶体结构的相关理论知识。而“小异”则体现在两个方面:一是设计成果图中的成像要比照片更加细微和直观,这有利于实验者利用专业理论知识仔细深入地分析其成因,正如图中周期性出现的明暗相间的光斑点映射出GaAs(001)＿a(2×4)表面原子结构模型的晶胞内二聚体的规则性排列现象。二是照片中的成像总有一些是理论情况下的设计成果图不能呈现的,这便体现了理想与现实间的差别。因此用理论联系实际的方法分析这些差别,既巩固了理论基础又解决了实际问题,也使实验者对实验结果达到本质上的深入理解。综上,此虚拟RHEED实验系统的开发便实现了其潜在价值。4实验结果获得肯定并继续完善该虚拟实验系统不但具有很高的测试精度和优越的性能,还兼备很好的通用性和可扩展性,对于不同样品表面结构模型的测试只需在后台添加相关模型参数即可。此系统属于初步设计成果,实验过程及结果均已得到我校低维半导体结构重点研究室内老师的肯定,同时老师也表示要大力支持该系