ESCA-750型电子能谱仪测控系统改造

　　0　引言

　　20世纪90年代,国内一些大学实验室对光电子能谱[1-5]、俄歇电子能谱[6-7]的数据系统进行了相关改进,提升了仪器使用效率,但其采用的计算机软硬件环境(操作系统、开发工具、接口电路)与当前的开发条件已不相适应。该系统采用现有成熟的软硬件技术对ESCA-750型电子能谱仪进行改造,以恢复使用旧仪器,提高仪器资源的利用率。

　　1　系统改造

　　ESCA-750型电子能谱仪通过对固体表面进行XPS扫描,测量电子的结合能,从而对待测物进行定性和半定量分析[8-9]。该扫描单元提供计算机接口,用于进行能量控制;同时预留检测接口,输出已放大调理的检测信号。测控计算机与上述两个接口相连,一路提供控制信号(该信号值与电子结合能值成线性关系),一路测量检测信号(该信号对应电子流强度),即可得到能谱数据(图)。利用通用微机和工业级PCI数据采集卡构建硬件接口平台,采用面向对象的设计方法开发Win-dows平台下的测控软件,实现仪器的基本测控功能。

　　1.1　硬件接口

　　当仪器工作于CPU扫描模式时,仪器的扫描状态受计算机控制,同时输出检测信号供外部采集。控制信号为电压信号,可由D/A转换器产生;输出信号为脉冲信号,可由定时/计数器测定。硬件框架如图1所示。

　　为快速、可靠地搭建硬件平台,采用工业级PCI总线型数据采集接口板卡,将其内嵌于通用微机,来实现电压信号发生、脉冲信号测量功能。

　　ESCA-750型电子能谱仪的结合能扫描范围为0~1 150eV,精度为±0.1 eV.通过对仪器控制端直接连接电压源进行测试,得到全量程扫描对应的电压控制信号范围约为0~-6.86V,精度约为±0.55 mV.系统采用了PCI-7489型接口板来输出控制信号,该板卡配有一个分辨率为16位、信号输出范围为±10 V的D/A转换器DAC7744,最小分辨电压值约为0.3 mV,其技术指标达到了仪器所需控制信号的要求。

　　ESCA-750型电子能谱仪的计数率为300 kCPS,而普通PCI板卡的计数范围约为65 kHz,所以要通过软件定时、多次采样的方式实现信号的采集。系统采用了PCI- 7606型接口板来测量脉冲信号,该板卡配有16位脉冲计数器82C53,脉冲幅度为0~5 V.但该板卡为了提高可靠性,在计数前端加有光电隔离器,降低了计数频率范围,约为25 kHz.为了满足实际测量要求,需对该接口板进行修改,去除光电隔离装置,以提高计数频率。

　　1.2　测控软件

　　在Windows 2000平台下,利用Visual C++ 6.0编写测控软件,其主要提供数据采集、谱图存储、数据处理、仪器校准等功能。根据系统数据流向和功能相关性,软件系统进行模块化设计,划分为3层(软硬件接口层、数据获取层和数据处理层),包含8个模块,其整体框架如图2所示。