Der Inhalt dieses Büchleins ist Teil meiner Postdoc-Arbeit in den USA, genauer gesagt, an der University of Connecticut (UCONN).
Im Rahmen dieser Anstellung oblag es mir als Experimentalphysiker, einen Zwei-Photonen-Messplatz zur Untersuchung von „Elpasoliten“ aufzubauen und nebenher mehrere Doktoranden wissenschaftlich zu betreuen. Aufgrund einer plötzlichen Zuweisung von Drittmitteln waren Gerätschaften für diesen Messplatz bereits beschafft worden. Allerdings standen diese Gerätschaften mehr oder weniger ungenutzt herum. Mein Chef entpuppte sich als „Vollbluttheoretiker“, der von der Praxis, sprich dem Aufbau funktionierender Experimente, nicht die Spur einer Ahnung hatte. Der Vorteil war: Ich konnte schalten und walten, wie ich wollte, solange hinterher brauchbare, d.h. für einen Theoretiker verwertbare, Ergebnisse heraussprangen.
Und das tat ich dann auch. Die wichtigsten Komponenten für den Messplatz waren vorhanden: Ein Ne-YAG-laser, ein Farbstofflaser, ein Spektrometer, etliches an elektronischen Kleinteilen und…ein Apple II – Computer zur Prozesssteuerung der Experimente
Viele werden diesen Computer gar nicht mehr kennen. Es handelte sich um einen 8-Bit-Computer der ersten Generation mit einem 6502-Prozessor. Technische Daten: Arbeitsspeicher: Satte 32 kB RAM. Taktfrequenz: 1 MHz. Datensicherung: Zwei Floppy-disc-Stationen. Vorgegebene Programmiersprache: Apple-BASIC. Der Monitor zeigte eine grünes Bild.
Um dieses hehre Ziel zu erreichen, programmierte ich, was das Zeug hielt. Alles lief wie am Schnürchen, nur die Ansteuerung zeitkritischer Teile der Messapparatur, insbesondere zu nennen hier die A/D-Wandler-Karte und der Schrittmotor zur Durchstimmung des Fabry-Perots-Filters, war viel zu langsam. Letztlich habe ich dieses Problem lösen können, indem ich alle notwendigen Basic-Anweisungen durch direkte „Peeks“ und „Pokes“, also Übergabe von Parametern in Speicherstellen und Auslesen von bestimmten Speicherstellen, ersetzte.
Es hat mich sehr erstaunt, aber auch sehr stolz gemacht, dass ich es fertig gebracht habe, mit dieser EDV-Minimalausstattung die mir gestellte Aufgabe zu lösen.
Inhaltsverzeichnis
1. Intro
2. Vorwort
3. Struktogramm zum zwei-Photonen-Messprogramm
4. Explanation Subroutines
5. RUNS - Subroutine
6. SAVE– Subroutine
7. I0-SUM– Subroutine
8. VOLTADJ – Subroutine
9. DIVIDE! – Subroutine
10. READ– Subroutine
11. SINGL– Subroutine
12. TEST-A/D–Subroutine
13. TESTA/D– Subroutine
14. DUMP– Subroutine
15. SHOW – Subroutine
16. PARAMETER– Subroutine
17. PRINT– Subroutine
18. DUDA– Subroutine
19. SMOOTH– Subroutine
20. Epilog
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die Prozesssteuerung eines Zwei-Photonen-Messplatzes mittels eines Apple II-Computers zu dokumentieren, um angehenden Forschenden eine strukturierte Anleitung für den Aufbau und die programmgesteuerte Datenerfassung zu bieten. Die Forschungsfrage konzentriert sich dabei darauf, wie eine begrenzte EDV-Ausstattung effizient genutzt werden kann, um komplexe physikalische Experimente wie die Untersuchung von Elpasoliten zeitkritisch zu steuern und auszuwerten.
- Entwicklung von Steuerungssoftware für physikalische Messapparaturen
- Optimierung von Datenaufnahme-Routinen in Basic
- Implementierung von Tools zur Datenauswertung und Kurvenanpassung
- Dokumentation des Messprinzips der Zwei-Photonen-Spektroskopie
- Einsatz von Struktogrammen als universeller roter Faden für Messprogramme
Auszug aus dem Buch
Vorwort
Das Messprinzip ist simpel: Ein „Pumplaser“ regt einen durchstimmbaren Farbstofflaser zu breitbandiger Emission an. Mittels eines Fabry-Perot-Filters erfüllt aus der Vielzahl möglicher Laserlinien möglichst genau eine Linie die Resonanzbedingung und beginnt zu „lasen“. Mit dieser Laserlinie (Anregungsenergie) wird ein, häufig gekühlter, Kristall bestrahlt. Licht emittieren, also aussenden, kann der Kristall allerdings nur, wenn die eingestrahlte Energie absorbiert wurde, also Energielevels passend zur eingestrahlten Energie vorhanden sind. So kann es bei schmalbandiger Anregungsenergie vorkommen, dass keine Energie absorbiert wird und folglich auch keine Emission zu detektieren ist. Gibt es Energieniveaus derart, dass die Energie von zwei Photonen benötigt wird, um ein höheres Energielevel zu besetzen, spricht man von zwei-Photonen-Spektroskopie.
Das emittierte Licht vom Kristall wird zu einem Monochromator geleitet, auf einen Eintrittsspalt fokussiert und im Inneren fein säuberlich nach Energien getrennt. Durch einen Austrittspalt fällt das nunmehr monochromatische Licht auf einen nachgeschalteten Photomultiplier. Dieser misst die Intensität jeder Spektrallinie (Energie) und gibt diesen Wert an den Computer weiter. Ein Computer speichert die gemessene Intensität (I) zusammen mit der Energie der Linie bzw. trägt die Intensität über der jeweils zugeordneten Energie auf.
Weil die Farbstofflaser-Intensität schwankt, wird in der Regel ein schwacher Referenzstrahl (I0) mittels eines Strahlteilers abgezweigt und die Emissionsintensität des Kristalls (I) normiert, indem der Untergrund subtrahiert und die Emissionsintensität durch das Quadrat der Intensität des Referenzstrahls dividiert wird.
Zusammenfassung der Kapitel
Intro: Beschreibt den Hintergrund der Arbeit an der University of Connecticut und die Herausforderung, eine Messapparatur mit einem Apple II-Computer zu automatisieren.
Vorwort: Erläutert die universelle Anwendbarkeit der gezeigten Struktogramme für den Aufbau und die Steuerung beliebiger Messplätze.
Struktogramm zum zwei-Photonen-Messprogramm: Stellt den grundlegenden Aufbau des Gesamtprogramms inklusive der Definition von Parametern und der Hauptschleife dar.
Explanation Subroutines: Gibt einen kompakten Überblick über die Funktionen der einzelnen Subroutinen von der Datenaufnahme bis zur Glättung.
RUNS - Subroutine: Detaillierte Darstellung der Routine zur Messungsdurchführung inklusive Ansteuerung der Hardware-Komponenten.
SAVE– Subroutine: Dokumentiert die Speicherprozesse für Rohdaten und Systemparameter auf Datenträger.
I0-SUM– Subroutine: Erläutert die mathematische Summation und Normierung der Intensitätsdaten des Referenzstrahls.
VOLTADJ – Subroutine: Beschreibt die Justierung der Kanal-Spannungen zur Gain-Regelung.
DIVIDE! – Subroutine: Dient der rechnerischen Division lokaler Variablen zur Signalaufbereitung.
READ– Subroutine: Beschreibt den Prozess des Auslesens gespeicherter Spektren vom Datenträger zur Anzeige.
SINGL– Subroutine: Dokumentiert die Steuerung des Schrittmotors zur Laser-Durchstimmung.
TEST-A/D–Subroutine: Führt die A/D-Wandler-Abfrage zur Erfassung von Messsignalen durch.
TESTA/D– Subroutine: Regelt den Start- und Stopp-Prozess der automatisierten Test-Messungen.
DUMP– Subroutine: Ermöglicht die Ausgabe sämtlicher Systemparameter auf einen Drucker.
SHOW – Subroutine: Realisiert die grafische Darstellung der gemessenen Spektren auf dem Monitor.
PARAMETER– Subroutine: Ermöglicht die Eingabe und Korrektur der steuerungsrelevanten Parameter.
PRINT– Subroutine: Verwaltet die Ausgabe von Parametern auf den Drucker anstelle des Monitors.
DUDA– Subroutine: Spezialisierte Routine zum Speichern und Formatieren von Datensätzen.
SMOOTH– Subroutine: Implementiert einen digitalen Filter zur Glättung der Emissionsdaten.
Epilog: Reflektiert den praktischen Nutzen der Arbeit und bietet Austauschmöglichkeiten für Anwender.
Schlüsselwörter
Zwei-Photonen-Spektroskopie, Prozesssteuerung, Apple II, Messapparatur, Struktogramme, Datenerfassung, Basic, Experimentelle Physik, Signalverarbeitung, A/D-Wandler, Spektrometer, Automatisierung, Messplatz, Datenanalyse, Emissionslinien.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung einer Steuerungssoftware für einen Zwei-Photonen-Messplatz an der University of Connecticut mittels eines Apple II-Computers.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die Prozessautomatisierung in der Experimentalphysik, die Programmierung von Hardware-Schnittstellen und die Aufbereitung physikalischer Rohdaten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Ziel ist es, anderen Forschenden durch die Veröffentlichung der originalen Struktogramme als „roter Faden“ eine Hilfestellung für den Aufbau komplexer, prozessorientierter Messprogramme zu geben.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird das Prinzip der Zwei-Photonen-Spektroskopie angewandt, wobei ein durchstimmbarer Farbstofflaser und ein präzise gesteuerter Spektrometer-Aufbau zur Datenaufnahme genutzt werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in verschiedene Subroutinen, die Funktionen wie Datenaufnahme, Schrittmotor-Steuerung, Signalnormierung und grafische Spektren-Auswertung abdecken.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zwei-Photonen-Spektroskopie, Prozesssteuerung, Apple II, Struktogramme, Datenerfassung und physikalische Messplatzautomatisierung.
Warum wird im Text von „Peeks“ und „Pokes“ gesprochen?
Diese Begriffe bezeichnen direkte Speicherzugriffe in der Programmiersprache Basic, die verwendet wurden, um die Ansteuerung der Hardware zeitkritisch zu beschleunigen.
Welche Rolle spielt der Referenzstrahl (I0) in der Messung?
Der Referenzstrahl dient dazu, die schwankende Intensität des Lasers zu kompensieren, indem die Emissionsintensität des Kristalls durch das Quadrat der Referenzintensität normiert wird.
Sind die Struktogramme heute noch relevant?
Ja, da die methodische Vorgehensweise zur Prozesssteuerung universell ist und sie als Vorlage für moderne Anwendungen, etwa auf Einplatinencomputern wie dem Raspberry Pi, dienen können.
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- Dr. Uwe Sliwczuk (Author), 2016, Zwei-Photonen-Spektroskopie. Anleitung zur Erstellung eines Messprogramms, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/337465
