Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://vega.inp.nsk.su/~inest/astrolib/Sun/kursoviki/spectrum2.ps Дата изменения: Tue Dec 21 11:53:18 1999 Дата индексирования: Mon Oct 1 20:40:00 2012 Кодировка: Windows-1251

Министерство общего
и профессионального образования
Российской Федерации
Новосибирский Государственный Университет
Никулин Максим Александрович
Программа spectrum для управления
автоматизированной спектрометрической
установкой. Обработка измерений.
Курсовая работа,
практикум ТСАНИ
Научный руководитель
Нестеренко И. Н.
Преподаватель практикума
Никифоров А. А
? ? 1999 г
Новосибирск, 1999

Аннотация
В этой работе описана программа для управления автоматизированной спек-
трометрической установкой, созданной в обсерватории ?Вега? для исследований
Солнца. Также рассказано о некоторых программах для обработки результатов.
Основой для установки послужили монохроматор МУМ и фотоумножитель
ФЭУ-100. Чтобы устанавливать длину волны на монохроматоре, применен ша-
говый двигатель.
Управление шаговым двигателем и измерения сигнала с ФЭУ автоматизиро-
вано с помощью крейта КАМАК. В установку входят КАМАК-блоки УШД-2,
вольтметр ?Липенок? и контроллер К0607. Интерфейс с ЭВМ  плата ППИ-2.
На компьютере установлены операционная система Linux, применен драй-
вер платы ППИ-2  ppi2-0.2.4a.
Характеристики установки: минимальный шаг спектра  0.2  A, ширина ап-
паратной функции с наиболее узкими щелями  0.1 нм, диапазон длин волн 
200800 нм.
Программа, управляющая установкой позволяет снимать спектры с несколь-
кими измерениями в одной точке, фиксированным шагом или в указанных точ-
ках.
Для обработки данных было написано несколько программ. Они использу-
ются для калибровки системы по спектру серого тела, для исключения спек-
тральной чувствительности ФЭУ, для сглаживания спектров удалением линий
поглощения.
Систематизация измерений осуществляется с помощью сценария на awk.

Содержание
1 Введение 1
2 Описание установки 1
3 Программа spectrum 2
3.1 Возможности программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
3.2 Структура программы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
4 Обработка результатов 5
4.1 Систематизация проведенных измерений . . . . . . . . . . . . . . 5
4.2 Исключение спектральной чувствительности фотокатода . . . . . 5
5 Заключение 7
1 Введение
Излучение Солнца можно приближенно описать моделью черного тела. При рас-
пространении свет частично поглощается. Это происходит как в самом Солнце,
так и в земной атмосфере. При этом на спектре возникают линии поглощения
от тех элементов, которые встречаются по пути распространения. По этим спек-
тральным линиям можно определить, как состав Солнца, так и некоторые ха-
рактеристики земной атмосферы. Более подробно это описано в [1].
Подробные спектры содержат огромное количество точек и сложны в обра-
ботке. Для того чтобы избежать рутинной работы, сейчас используются ком-
пьютеры. Для этого необходимо информацию о спектре внести в компьютер.
Первая работа по спектрометрии Солнца в обсерватории была сделана ?вруч-
ную? Дмитрием Чуркиным, Алексеем Карпелевым и Андреем Кудрявцевым.
Снятие спектров и ввод их в компьютер были очень трудоемкими операциями.
Подключение установки к крейту и компьютеру сделало получение спектров
гораздо более легким и требующим гораздо меньше терпения делом, а ввод их
в компьютер  просто ненужным. При этом, правда, пришлось столкнуться с
тем, что спектров развелось огромное количество из-за легкости их получения.
О том как решались эти проблемы, и к чему это привело, рассказано в этой
работе.
2 Описание установки
Схема установки приведена на рис. 1. Поясним принцип ее работы.
Свет от Солнца проходит через фокусирующую систему 2 с кварцевой лин-
зой и попадает в световод 1, который идет к монохроматору 4. Фокусирующая
система крепится вместо видоискателя на телескоп 3, монтировка которого осу-
ществляет слежение за Солнцем.
Монохроматор 4 выделяет узкий участок спектра. Далее свет попадает на
фотоумножитель 5, установленный на выходе монохроматора. Установка нуж-
ной длины волны осуществляется шаговым двигателем 11 с редуктором 12, при-
соединенным к ручке монохроматора. Уровень сигнала на выходе фотоумножи-
теля достаточно высокий и позволяет использовать его в непрерывном режиме
работы. Для измерения выходного сигнала фотоумножителя, к нему подключен
1

5 6 9 10
8
7
13
4
11
12
1.9-2.5kV
14
+12
-12
V
0
15
3
2
1 Рис. 1: Схема установки:
1. световод;
2. фокусирующая система;
3. телескоп с монтировкой;
4. монохроматор;
5. ФЭУ;
6. усилитель;
7. крейт;
8. вольтметр;
9. блок управления шаговым двигателем;
10. контроллер крейта;
11. редуктор;
12. шаговый двигатель;
13. персональный компьютер;
14. блок питания ФЭУ;
15. блок питания усилителя и шагового дви-
гателя.
преобразователь ток-напряжение 6, выполненный на операционном усилителе с
полевыми входами.
Для управления шаговым двигателем используется блок 9, для измерений
напряжения  вольтметр 8. Связь с ЭВМ 13 осуществляется через контроллер
крейта 10.
Теперь расскажем более подробно о каждом блоке.
Монохроматор МУМ может работать в диапазоне длин волн 200800 нм. Но
реально нижняя граница спектров составляет 350 нм, так как свет с меньши-
ми длинами волн поглощается в световоде. Дисперсия равна 34 нм/мм. Для
повышения разрешения по длинам волн были изготовлены более тонкие щели,
позволяющие изучать структуру линий поглощения. Ширина аппаратной функ-
ции при этом составляет около 0.1 нм.
Фотоумножитель ФЭУ-100 имеет кварцевое окно, позволяющее работать с
ультрафиолетовой областью спектра. Как уже говорилось, световод ограничи-
вает диапазон длин волн.
Шаговый двигатель и редуктор позволяют снимать спектры с минимальным
шагом 0.2  A.
Интегрирующий вольтметр ?Липенок? может измерять напряжение с точ-
ностью 1420 двоичных разрядов. В установке применены блок управления ша-
говым двигателем УШД-2 и контроллер крейта К0607. Все КАМАК-блоки из-
готовлены в Институте Ядерной Физики имени Будкера.
3 Программа spectrum
Эта программа предназначена для получения спектров на описанной выше уста-
новке. При этом уделено внимание удобству и гибкости программы.
3.1 Возможности программы
Для начала можно кратко сказать об окружении в котором используется про-
грамма. На компьютере установлена операционная система Red Hat Linux 4.2,
2

ядро 2.0.35, драйвер платы ППИ-2 ppi2-0.2.4a (автор  А. Никифоров). Про-
граммой также используется gnuplot-3.6.
Для программы был выбран интерфейс командной строки, как самый быст-
рый, когда требуется передавать несколько аргументов. При этом используется
библиотека readline, позволяющая использовать историю команд. Анализатор
командной строки поддерживает кавычки и комментарии.
Остановимся на возможностях программы. Она может снимать спектры в
заданном диапазоне длин волн с указанными шагом и количеством измерений
напряжения в каждой точке. Также можно пользоваться ?именными? спектра-
ми. ?Имени? при этом соответствуют все перечисленные выше параметры, и
вместо их перечисления команде достаточно указать только ?имя?. Чтобы на
получение спектра уходило меньше времени, можно задать файл-шаблон, в ко-
тором перечислены интересующие длины волн. Например, можно пропустить
все линии поглощения и получить огибающую спектра, или избавиться от не-
нужных линий поглощения.
Рис. 2: Вид экрана при работе с программой
spectrum. Показаны: окно gnuplot, тексто-
вый редактор, запущенный для редактирова-
ния комментариев, окно xterm с запущенной
в нем программой spectrum.
Во время измерений на эк-
ране рисуется спектр. Для этого
используется gnuplot. Вид эк-
рана при работе программы по-
казан на рис. 2.
Но получить спектры мало,
еще надо не запутаться в ог-
ромном их количестве. Для сис-
тематизации данных программе
можно указать название объек-
та, например, ?Halpha?  линия
поглощения водорода. При этом
файл с результатами измерений
попадет в каталог с таким име-
нем, а имя файла будет состоять
из названия объекта и време-
ни, когда этот спектр был снят.
Кроме того, в файл будут внесе-
ны сведения о названии объекта,
дате, времени начала и оконча-
ния измерений, режиме работы
вольтметра и некоторые другие параметры, будут подготовлены поля для таких
сведений, как погода в течение измерений. Программа предложит их заполнить
по окончании измерений. Также, ведется файл протокола, в который вносит-
ся информация о полученных спектрах и об ошибках, возникших при работе с
крейтом. Пример заголовка файла приведен на рис. 2.
Для настройки установки предусмотрены команды передвижения на необхо-
димую длину волны и многократного измерения напряжения без перемещений.
К сожалению, система монохроматор-двигатель не имеет обратной связи для
определения длины волны, которая установлена на монохроматоре. Из-за этого
пользователю необходимо следить за длиной волны. Конечно же, его труд мак-
симально облегчен. Ему как правило достаточно один раз указать длину волны,
на которую настроен монохроматор. По окончании работы сведения о ней будут
записаны в файл, а при следующем запуске программа ее восстановит. Сведения
о длине волны сбрасываются при возникновении ошибок при работе с крейтом,
3

или если программа обнаружила, что двигатель находится в режиме ручного
управления.
При запуске программы выполняется инициализационный сценарий. В нем
восстанавливается из файла длина волны, открывается файл протокола, уста-
навливаются параметры КАМАК-блоков, инициализируется gnuplot, задаются
?именные? спектры. При выходе из программы выполняется завершающий сце-
нарий. Можно также выполнить подготовленный заранее сценарий. Он может
состоять из любых встроенных команд программы. Предусмотрено также вы-
полнение команд shell.
Непременный атрибут любой программы  это система помощи. При необ-
ходимости можно получить список доступных команд и переменных с краткими
пояснениями. Описание команд, использующих опции, выполнено в стиле man-
страниц.
3.2 Структура программы
Строки прочитанные с клавиатуры или из файла поступают в анализатор, ко-
торый делит строку на отдельные слова. После этого вызывается функция, со-
ответствующая команде. Они делятся на несколько блоков:
 Общие команды. Сюда входят такие команды, как помощь, выход, изме-
нение переменных и выполнения сценария.
 Ведения протокола. Это открытие и закрытие файла протокола, добавле-
ние в него текущего времени и добавление строки.
 Работы с gnuplot. Здесь обрабатываются программы запуска и заверше-
ния его работы. Также есть возможность передать ему любую команду.
 Команды для установки длины волны. Ее можно прочитать из файла, уста-
новить, записать в файл и, конечно же, посмотреть.
 И, наконец, команды измерений. Точнее те, которые работают с крейтом.
Сюда я также отношу команду добавления ?именных? спектров.
Об установке длины волны упоминалось ранее. Дополнительно можно ска-
зать, что внутри программы информация о длинах волн хранится в шагах дви-
гателя. Это сделано для того, чтобы не накапливались ошибки округления.
Перейдем к работе с крейтом. Открытию файла крейта сопутствует уста-
новка параметров блоков, и новые значения таких переменных, как точность
измерения напряжения, начинают работать только с этого момента.
Работа с вольтметром трудностей не вызывает. Можно отметить только воз-
можность прервать измерения в любой момент.
Ошибка при работе с шаговым двигателем может привести к выходу из строя
монохроматора, поэтому пришлось принять некоторые меры предосторожности.
Во-первых, движение не начнется при неизвестной длине волны. Во-вторых, при
передвижении на большое расстояние по диапазону длин волн, задание делится
на несколько более мелких. В-третьих, если перед началом движения окажется,
что двигатель находится в режиме ручного управления, то длину волны придет-
ся устанавливать заново. И, наконец, таймауты на ожидание выполнения блоком
УШД задачи выбираются не сильно отличающимися от времени, которое необ-
ходимо на отработку движения.
4

Если в момент принудительного прекращения измерений двигатель вращал-
ся, то перед его установкой программа определяет, сколько шагов двигатель еще
не отработал, и по этому значению устанавливает длину волны.
4 Обработка результатов
4.1 Систематизация проведенных измерений
Как показал опыт, файлов с измерениями быстро становится очень много. При
этом становится сложно найти нужный. Для облегчения этой задачи был напи-
сан сценарий для awk, который анализирует комментарии в файлах с измере-
ниями и на их основе создает таблицу с краткими сведениями.
На рис. 4 приведено начало файла с измерениями (они были выполнены
одной из первых версий программы). Таблицу, полученную при обработке этого
и еще одного файла, вы можете увидеть на рис. 4.2. Информации в ней обычно
хватает для того, чтобы найти нужный спектр.
4.2 Исключение спектральной чувствительности фотокатода
Данные измерений, которые содержатся в файле с результатами, не являются
?истинным? спектром. Необходимо учесть, что квантовая эффективность фо-
токатода ФЭУ зависит от длины волны [2], а конечная ширина щелей монохро-
матора искажает профиль спектральных линий.
Остановимся подробнее на определении спектральной чувствительности фо-
токатода. Спектральная плотность излучения абсолютно черного тела b 0

опи-
сывается формулой Планка [3]
b 0
 =
2hc 2
 5
1
exp(hc=kT ) 1
;
где T  термодинамическая температура,   длина волны.
Реальные тела не являются абсолютно черными, поэтому для описания их
спектра вводят коэффициент серости a(). Тогда спектральная плотность излу-
чения такого тела равна
a()b 0
 :
Сняв спектр лампы накаливания l() и измерив пирометром ее температуру,
мы можем получить спектральную чувствительность фотокатода q()
q() = 
l()
a()b 0

;
где   коэффициент, подобранный так, чтобы максимум q() был порядка 1.
Спектр другого объекта можно получить по результатам измерений s 1 (),
воспользовавшись формулой
s 1 ()
q()
:
Иллюстрация к этому методу приведена на рис. 3. В данном случае обработ-
ка проводилась программами, написанными на си и фортране. Более подробно
калибровка спектрометрических приборов описана в [4].
5

0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
wavelength, nm
1
2
3
4
Рис. 3: 1. Спектр черного тела при T = 2740 K; 2. коэффици-
ент серости вольфрама при той же температуре; 3. резуль-
тат измерений спектра лампы накаливания; 4. Спектраль-
ная чувствительность фотокатода. Спектры даны в относи-
тельных единицах.
# spectrum-0.2.2
# Объект : sun
# Точность : 6
# Шаг спектра : 1 нм
# Начало : 300 нм
# Конец : 830 нм
# Дата : 20.05.1999
# Время начала : 13ч 21м 52с (UTC)
# Время окончания: 13ч 32м 08с (UTC)
# Входная щель : световод
# Выходная щель : 0.25 мм
# Напряжение фона: 13 мВ
# Напряжение ФЭУ : 2.3 кВ
# Фильтр : нет
# Погодные условия : дымка
# Длина волны, Напряжение,
# нм мВ
300 27.4062
301 27.3125
Рис. 4: пример заголовка файла измерений file
obj
шаг
beg
end
<->
in
out
фон
ФЭУ
fltr
комментарий
sun11h53m200599
sun
0.10
380
410
>
свет
0.05
11
2.3
нет
однородная
дымка
sun13h32m200599
sun
1
нм
300
830
>
свет
0.25
13
2.3
нет
дымка
Рис.
5:
результат
обработки
заголовков
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
350 400 450 500 550 600 650 700 750 800
wavelength, nm
1
2
3
4
Рис. 6: Спектр Солнца: 1. результат измерений; 2. спектр с учетом спектральной
чувствительности фотокатода; 3. сглаженный; 4. спектр черного тела при T =
3840 K.
6

К сожалению, с достаточной точностью измерить температуру лампы нака-
ливания не удалось. В результате спектры, полученные с учетом измеренной та-
ким образом спектральной чувствительности, отличаются от тех, которые долж-
ны быть на самом деле. В этом и заключается причина того, что в программу
пока не включена on-line обработка.
Попытаемся аппроксимировать спектр Солнца спектром черного тела. При
этом обилие линий поглощения мешает это сделать. Для подобных измерений
была написана программа удаляющая подозрительные участки спектра. Снача-
ла она избавляется от точек, в которых слишком большая производная, затем
от тех, где большая кривизна.
Результат сглаживания представлен на рис. 6. Также на этом рисунке приве-
ден спектр черного тела. Аппроксимация производилась нелинейным методом
наименьших квадратов программой gnuplot. На самом деле излучение Солнца
соответствует 6000 K [1]. Это подтверждает неточность калибровки системы.
Получение реального профиля линии поглощения  более сложная задача.
Эта обработка проводится с использованием программы Mathcad. При этом
можно не учитывать неточность определения спектральной чувствительности
фотокатода.
5 Заключение
Написанная программа вполне подходит для измерений, и основная цель рабо-
ты выполнена. Дальнейшая эксплуатация выявит, как сделать программу более
удобной. Однако необходимо более точно откалибровать систему по какому-либо
спектральному источнику. Им, например, может стать синхротронное излуче-
ние.
Далее необходимо развивать методы обработки результатов. Одним из наи-
более интересных направлений является идентификация спектральных линий.
Также можно исследовать профиль линий и поглощение в атмосфере Земли.
Список литературы
[1] Гибсон Э. Спокойное Солнце, М.:?Мир?1977
[2] Матвеев В. В, Соколов А. Д. Фотоумножители в сцинтилляционных счетчи-
ках, М.1962
[3] Лебедева В. В. Техника оптической спектроскопии, М.1986
[4] Миронов В. В. Прецизионная фотометрия, М.1997
7