TOF-SIMS控制软件的研究与开发

【摘要】飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）是将飞行时间质量分析技术与二次离子质谱技术相结合，其极快的分析速度和脉冲化的离子束使得样品的消耗量极少，而且TOF-SIMS具有极宽的分析质量范围。TOF-SIMS已在不同各领域得到广泛应用。论文依托于国家重大科学仪器设备开发专项项目：同位素地质年代学专用TOF-SIMS科学装置。TOF-SIMS控制软件的开发是该项目的关键任务之一，并且该仪器的结构复杂，包括真空系统、离子源、一次离子光学系统、三维样品台及换样系统、离子检测等部分，仪器的操作对象众多，需要一个完整的仪器控制软件协调仪器的工作。目前，国内对TOF-SIMS质谱仪的研究较少，而对TOF-SIMS的控制软件的研究更是几乎没有报道；在国外ION-TOF等公司的TOF-SIMS仪器已经有很高的性能，其控制软件也是相对成熟，但是在仪器自动化软件开发和仪器的远程共享控制软件等方面，技术都没有很成熟。文章在完成TOF-SIMS基本功能模块开发的基础上，对仪器的远程共享控制和仪器的移动误差自校正方法进行了研究。首先，对软件进行总体设计，确定论文的研究内容，对研究内容进行任务划分，划分为三个任务：本地基本功能软件的开发，远程控制功能的实现，用于样品台自动控制的样品图像配准算法的研究。并根据任务的依赖关系图确定任务的开发顺序。然后，对TOF-SIMS仪器的四个基本功能软件进行开发：智能真空控制软件、一次离子流控制软件、一次离子流检测软件和三维样品台控制软件。利用了生产者消费者、顺序结构+事件结构的软件开发模式，采用多线程编程。其中生产者消费者的设计模式不仅使运行效率更高，并且使软件有更好的交互性。随后，在完成本地的四个基本功能软件的开发的基础上，对仪器的远程控制软件进行研究开发。文章对比了现有的两种远程控制方式：服务器端计算机屏幕获取的方案，客户端和服务器端通过命令发送和解析完成仪器远程控制的方案。考虑到网络因素的影响，文章选择了后者，后者对网络性能要求更低，控制更流畅。并且在原有方案的基础上，使用了NIServer技术，大大简化了开发难度。完成了三维样品台控制软件的远程客户端软件和服务器端软件的开发，经过测试在局域网连接和外网连接，通讯速度没有明显不同，都可以顺畅的完成仪器远程控制。最后，对三维样品台的误差自动校正方法进行研究，该方法有助于实现三维样品台的自动化工作。文章在原有的三维运动台的基础上，增加图像采集系统，提出一种利用机器视觉加运动控制的方法来完成三维样品台的误差自校正。该方法采集先后两次定位同一坐标时的样品图像，对两个图像进行图像配准，获取图像的平移坐标，转换成两次定位的位移误差，将误差传递给运动控制系统，再次移动进行校正，完成了误差自校正。该方法的关键技术在于样品图像快速配准的实现。文章对SIFT算法进行改进，用LBP特征描述算法描述特征点，并对生成的描述向量使用主成分分析方法降维，最后将新的算法与原来的SIFT算法进行对比，新算法配准速度更高，配准效果满足误差自校正系统的要求，使误差自校正系统的实现成为可能。
【作者】陶强；
【导师】邱春玲；
【作者基本信息】吉林大学，测试计量技术及仪器，2014，硕士
【关键词】飞行时间二次离子质谱；仪器控制软件；远程共享；VI服务器；SIFT算法；LBP算法；主成分分析；

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