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二次离子质谱仪高压控制系统的设计与实现

作　者: 王培智
导　师: 邱春玲
学　校: 吉林大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 二次离子质谱仪高压控制高精度 AT91RM9200 Linux
分类号: O657.63
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

二次离子质谱(Secondary-ion-mass spectroscope SIMS),即用自身带有一定能量的离子束轰击待测样品表面，将样品表面的原子溅射出来成为带电的二次离子，然后用磁分析器/四级杆质能筛选器所组成的质谱仪分析离子的荷/质比，便可知道样品表面元素的组成和成份。大型二次离子质谱仪器，是最前沿的表面分析技术。它可以在数秒内对表面的局部区域进行扫描和分析，生成一个表面成分图。其已经广泛的应用于地球化学及同位素分析领域。二次离子质谱仪器中，一次离子源、一次离子光学系统、二次离子飞行管道、质量分析器中，各个部分都需要高压来对离子进行电离、加速/减速、偏转、聚焦等物理过程。所以高压控制系统是整个系统正常运行的基础，在整个二次离子质谱仪器中占有重要地位。本硕士论文选题来源于“十一五”国家科技支撑计划重点项目“二次离子质谱仪器核心技术及关键部件研究与开发”（编号：2006BAK03A21）。高压控制系统是其中的的重要部分，其性能的好坏直接影响到一次离子的产出率，一次离子束斑的大小，一次离子束的电流强度以及二次离子的能量筛选精度和仪器整体的分辨率等指标。本课题主要研究：高压发生的核心控制电路ARM核心板以及其外围电路的整体设计；D/A转换电路和高压驱动电路的硬件设计以及其在Linux下驱动程序的编写；高压发生装置在实际应用过程中的测试及其可靠性测试。本课题研究的各项技术对二次离子质谱仪器的研制有一定的参考价值。二次离子质谱仪器对高压的精度的要求较高，目前本项目的要求是各部分高压的精度最小的要不大于0.05%，因此，对控制电路的控制稳定度和高压发生源的精度要求较高。本文根据系统的要求主要进行了以下几方面的研究。首先，提出高压控制系统的整体设计方案。该方案以包括以AT91RM9200为控制核心的核心控制电路；AD5725芯片构成的数字-模拟电压转换电路；后置高压控制电路和高压电源模块构成整体电路。其次，给出了ARM核心板及其外围电路、D/A转换电路、和高压控制电路的硬件设计。ARM核心板采用的是Atmel公司的AT91RM9200作为整个电路的控制核心，它负责接收用户的命令，根据相应指令，控制D/A输出，从而控制不同高压值输出。根据任务对高压的要求为精度不小于0.05%，我们计算得出D/A转换芯片的最低位数为12位，INL不小于1LSB，所以我们采用Analog Devices公司的AD5725作为我们D/A转换电路的核心芯片，它负责从ARM控制板读取数字量，进而转化为模拟控制量。高压控制电路负责将D/A转换电路输出的模拟控制量进行跟随放大，使控制信号与高压电源之间达到阻抗匹配的目的。再次，简单介绍了Linux系统内核的配置和裁剪和其向硬件平台的移植。重点阐述了Linux系统下字符设备驱动程序编写的方法和步骤，同时给出了AD5725芯片在Linux操作系统下的硬件驱动过程以及AD5725应用程序的编写。最后，重点对整个系统做了详细的应用性测试。主要包括对核心板硬件电路的功能性测试；D/A芯片的静态参数、动态参数的测试；对于±250V高压、300V~2.5KV高压、-10KV~10KV高压的输出电流、电压纹波和电压稳定度的测试。其中AD5725的INL≤0.4LSB，满足系统要求。±250V高压的电压纹波为0.004%，电压稳定度为0.007%；300V~2.5KV高压的电压纹波为0.004%，电压稳定度为0.04%；-10KV~10KV高压的电压纹波为0.003%，电压稳定度为0.04%；均达到任务指标。整个高压发生系统移植到SHRIMP上进行实验，测试出其稳定性和精度均达到了预期标准。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
第一章绪论  12-16
  1.1 研究背景  12-13
    1.1.1 二次离子质谱学以及二次离子质谱仪概述  12
    1.1.2 二次离子质谱仪的基本原理  12-13
  1.2 研究现状  13-14
    1.2.1 国外二次离子质谱仪及其高压装置的研制现状及发展  13-14
    1.2.2 国内二次离子质谱仪及其高压装置的研制现状及发展  14
  1.3 研究意义  14-15
    1.3.1 选题的来源  14
    1.3.2 选题研究的意义  14-15
  1.4 研究内容  15
  1.5 小结  15-16
第二章二次离子质谱仪高压控制系统简介  16-19
  2.1 二次离子质谱仪的基本构造  16-17
  2.2 二次离子质谱仪中各部分所需高压简介  17-19
第三章高压控制系统硬件设计  19-33
  3.1 系统硬件电路整体设计思想  19-20
  3.2 嵌入式中央控制主板的硬件设计  20-28
    3.2.1 ARM 概述及 AT91RM9200 概述  20
    3.2.2 AT91RM9200 基本外围电路设计  20-21
    3.2.3 电源电路设计  21-22
    3.2.4 Flash 存储器电路设计  22-23
    3.2.5 SDRAM 存储器电路设计  23
    3.2.6 PC/104 接口电路设计  23-25
    3.2.7 网络接口电路设计  25-26
    3.2.8 USB 接口电路设计  26
    3.2.9 UART 接口电路设计  26-27
    3.2.10 RTC 模块电路设计  27-28
  3.3 D/A 转换电路的硬件设计  28-30
    3.3.1 D/A 转换电路设计  28-29
    3.3.2 AD5725 与 ARM 主板 PC104 接口设计  29-30
  3.4 高压控制电路的硬件设计  30-32
    3.4.1 二次离子质谱仪器高压需求简介  30
    3.4.2 高压电源模块简介  30-31
    3.4.3 高压控制电路设计  31-32
  3.5 小结  32-33
第四章高压控制系统软件设计  33-52
  4.1 嵌入式 LINUX 操作系统的概述和移植  33-43
    4.1.1 嵌入式 LINUX 概述  33
    4.1.2 Linux 内核的组成  33-35
    4.1.3 系统引导程序 U-BOOT 的烧写  35-38
    4.1.4 嵌入式 Linux 操作系统内核的烧写  38-40
    4.1.5 嵌入式 Linux 内核的配置与编译  40-43
  4.2 D/A 设备驱动程序设计  43-50
    4.2.1 Linux 下的设备驱动程序定义  43
    4.2.2 Linux 下设备驱动程序的分类  43
    4.2.3 Linux 设备驱动程序的层次结构  43-44
    4.2.4 设备驱动程序与外界的接口  44-45
    4.2.5 字符设备驱动编写流程  45-46
    4.2.6 AD5725 驱动程序的实现  46-49
    4.2.7 AD5725 驱动程序的测试  49-50
  4.3 D/A 设备应用程序设计  50-51
  4.4 小结  51-52
第五章系统功能测试  52-70
  5.1 核心板硬件功能测试  52-56
    5.1.1 网络接口测试  52-53
    5.1.2 系统时钟测试  53
    5.1.3 USB 口测试  53-54
    5.1.4 串口测试  54-56
  5.2 D/A 芯片的参数测试  56-61
    5.2.1 静态指标测试  57-60
    5.2.2 动态指标测试  60-61
  5.3 高压输出参数测试  61-67
    5.3.1 系统所用电源模块参数简介  62
    5.3.2 ±250V 高压参数测试  62-64
    5.3.3 300V，2.5KV 高压参数测试  64-65
    5.3.4 ±10KV 高压参数测试  65-67
  5.4 高压控制系统向 SHRIMP 上的移植的可行性测试  67-69
  5.5 小结  69-70
第六章总结  70-71
  6.1 主要工作总结  70
  6.2 存在的不足及进一步的工作  70-71
参考文献  71-73
作者简介  73-74
致谢  74

二次离子质谱仪高压控制系统的设计与实现

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