CC BY
14
Медико-технический менеджмент и образование
УДК 378.14
A. С. Иванов, канд. техн. наук,
B. В. Лучинин, д-р техн. наук,
В. В. Перепеловский, канд. техн. наук,
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Тренажер оператора многофункционального аналитико-технологического комплекса Helios NanoLab на основе наноразмерного ионного пучка
Ключевые слова: мультимедийный тренажер, симулятор, наноразмерный ионный пучок, Helios NanoLab, удаленный доступ, панель управления.
Key words: multimedia simulator, nano-sized ion beam, Helios NanoLab, remote access, control panel.
Описан мультимедийный симулятор, предназначенный для эффективного освоения интерфейса многофункциональной и многооконной панели управления аналитико-технологическим комплексом Helios NanoLab. Симулятор реализован в программной среде Labview. Его применение в качестве автономного тренажера обеспечивает быстрое приобретение практических навыков работы с достаточно сложным программным интерфейсом контрольной панели и снижает риск ошибочных действий при последующей работе с аналитико-технологическим комплексом.
Электронно-ионный аналитико-технологический комплекс
Аналитико-технологический комплекс (АТК) интегрированных электронного и ионного пучков Helios NanoLab («FEI Company», США), установленный в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» (рис. 1, 2) в 2009 г., является одним из наиболее характерных примеров уникального дорогостоящего оборудования, удаленный доступ к которому существенно повышает эффективность его использования. АТК характеризуют следующие особенности:
• наноразмерное разрешение для работы в режимах ионного и электронного пучков;
• интеграция электронного и ионного пучков в единой камере с возможностью одновременной работы по объекту;
• интеграция сверхвысокоразрешающих микроскопических и технологических режимов во времени и пространстве;
• интеграция в рабочей камере сверхлокальных селективных процессов препарирования, травления и нанесения материалов с нанометровым разрешением;
• наличие сверхпрецизионных наноразмерно-по-зиционируемых механических приводов и зондов;
• наличие высокоразрешающей системы локального рентгеноспектрального анализа состава микрообъектов;
• наличие в рабочей камере системы подачи и съема электрических сигналов с объектов;
• наличие в рабочей камере системы видеонаблюдения за процессами манипулирования с объектами и инструментом;
Рис. 1
Аналитико-технологический комплекс Helios NanoLab 400 в НОЦ «Нанотехнологии» СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Электронная колонна
JÍ
Эмиттер
Ионная колонна
ГИС ЕЗ
И
Конднсер
Система э/м линз Генератор сканирования
Ь@-|
Эмиттер
Система э/стат линз
Иммерсионная линза
Столик с образцом
Рис. 2
Схема аналитико-технологического комплекса Helios NanoLab 400
Следует также выделить ряд дополнительных особенностей, характеризующих данное уникальное оборудование:
• многообразие возможных объектов исследования и обработки с нанометровым разрешением;
• высокая степень автоматизации оборудования и аналитико-технологических процедур, определяющих гибкость и оперативность в достижении результата;
• чрезвычайно высокая стоимость оборудования и значительные эксплуатационные расходы;
• сложность оборудования, требующая специального обучения персонала, имеющего первоначально достаточно высокий профессиональный уровень.
Технологические и диагностические операции и процедуры с исследуемыми объектами выполняются сертифицированным оператором АТК через компьютер, на экране дисплея которого отображается многооконная и многофункциональная панель управления, имеющая англоязычный интерфейс. На эту же панель отображаются все получаемые результаты в виде графических изображений, создаваемых электронным и ионным пучками.
Передача текущего состояния панели управления на рабочие станции удаленных пользователей с защитой каналов передачи от несанкционированного доступа и разграничением прав доступа к АТК является основной функцией аппаратно-программного комплекса удаленного доступа.
Аппаратно-программный комплекс удаленного доступа
Аппаратно-программный комплекс (АПК), обеспечивающий сетевой удаленный доступ к многофункциональному аналитико-технологическому
комплексу Helios NanoLab 400, был создан СПбГЭТУ [1] совместно с ЗАО «Системы для микроскопии и анализа» в рамках выполнения государственного контракта № 16.647.12.2021 «Создание функционирующего в режиме удаленного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ по сверхпрецизионному наноразмерному травлению, нанесению и модифицированию материалов с использованием остросфокусированных ионных пучков и виртуальных симуляторов указанных процессов». В состав АПК входят:
• блок WEB-интерфейса, авторизации и обеспечения безопасного подключения;
• блок администрирования;
• блок автоматизированного рабочего места (АРМ);
• клиентское программное обеспечение.
Общую сетевую систему организации работы
аналитико-технологического комплекса с АПК в режиме удаленного доступа иллюстрирует схема, представленная на рис. 3.
Аппаратно-программный комплекс обеспечивает:
• подключение пользователей через локальную сеть и сеть Интернет через WEB-интерфейс;
• авторизацию пользователя вводом его имени и пароля через WEB-интерфейс;
• представление пользователю списка доступных ресурсов через WEB интерфейс;
• организацию виртуального, защищенного шифрованием канала доступа к комплексу Helios NanoLab 400 либо его эмулятору;
• подключение по виртуальному каналу к выбранному ресурсу в режиме графической консоли;
• разграничение прав доступа либо для управления, либо только наблюдения за происходящим на экране консоли;
№ 5-6(17-18)/20П |
биотехносфера
Рис. 3
Структура сетевой системы для обеспечения работы комплекса Helios NanoLab в режиме удаленного доступа
• контроль подключения пользователей к ресурсам с возможностью отключения пользователя;
• удобный интерфейс администратора АПК.
Практическая реализация АПК позволила:
• организовать удаленный доступ к сложному уникальному оборудованию через стандартную информационную сеть;
• обеспечить одновременный, но авторизованный доступ к уникальному оборудованию нескольких пользователей;
• создать базис для организации процессов обучения и проведения научных исследований в режиме удаленного онлайн-доступа с использованием потенциала профессионально подготовленных специалистов и отработанных методик.
Наряду с этим при обеспечении режима удаленного доступа к автоматизированному оборудованию возникает возможность оперативно дистанционно осуществлять его профилактику и настройку, сокращая временные и экономические затраты на обслуживание.
В случае эксплуатации оборудования повышенной опасности при наличии источников вредных воздействий (излучения, химические среды) на оператора система удаленного доступа чрезвычайно эффективна, особенно в условиях реализации образовательного процесса.
Вместе с тем сложность многооконного и многофункционального англоязычного интерфейса панели управления требует создания специальных автономных программных средств, выполняющих функции тренажера оператора, работа с которым должна предшествовать удаленному доступу к многофункциональному аналитико-технологическому комплексу Helios NanoLab 400.
Мультимедийный симулятор — тренажер оператора
Управление компонентами многофункционального аналитико-технологического комплекса Helios NanoLab 400 осуществляется сертифицированным оператором установки с помощью компьютера и управляющей панели, отображающейся на экране дисплея. Важной особенностью управляющей панели является сложный интерфейс, инструменты которого меняются в зависимости от используемых модулей комплекса и режима их работы. Учитывая чрезвычайно высокую стоимость комплекса и его эксплуатационного времени для подготовки операторов, работающих в режиме удаленного доступа, был разработан мультимедийный симулятор — тренажер оператора.
Мультимедийный симулятор представляет собой программную оболочку, аутентично воспроизводящую в автономном режиме панель управления многофункциональным аналитико-технологическим комплексом Helios NanoLab 400 с визуализацией результатов обработки исследуемого образца. Симулятор реализован на базе программной среды LabView, имеющей развитые визуальные средства и позволяющей реализовывать необходимые математические модели для управления и обработки данных.
Симулятор использует архив фотоматериалов, отображающих динамику технологических и диагностических процессов в Helios NanoLab (рис. 4). Это позволяет создавать имитацию реально работающей установки. Сложный многооконный, многофункциональный интерфейс симулятора полностью соответствует интерфейсу панели управления аналитико-технологическим комплексом Helios
Рис. 4 I Вид панели управления и рабочих окон симулятора
ЫапоЬаЪ. Навыки управления, приобретаемые оператором, переносятся на реальную установку без каких-либо дополнительных затрат времени на освоение. Действия оператора, при необходимости, записываются и могут служить в качестве материала для корректировки дальнейшего обучения.
Созданный симулятор эффективен в образовательном процессе на подготовительном этапе дистанционного повышения квалификации и переподготовки кадров и организации исследований в режиме сетевого коллективного доступа [2], так как существенно экономит время и расходные материалы. Кроме того, обучение на тренажере заметно снижает вероятность неправильных действий в реальных условиях.
Мультимедийный симулятор представляет собой совокупность программных модулей: обработки графической информации симулятора, интеграции с архивом изображений, формирования информационной строки, астигматизма изображения, контрастности изображения, зашумленности изображения, четкости изображения, яркости изобра-
жения, чтения данных, модуля, анализирующего состояние кнопок управления в режиме прерывания и в режиме опроса, и модуля, задающего исходные параметры симулятора.
Мультимедийный симулятор снабжен также средствами адаптации к компьютерам с минимальными техническими требованиями. При нажатой кнопке «Медленная работа яркость контрастность», пользователь получает возможность регулировать яркость, контрастность и другие параметры изображения, получаемые на микроскопе, соответственно при отжатой кнопке увеличивается скорость работы, но пользователь лишается возможности обрабатывать изображения. Имеется функция изменения масштаба времени.
В интерфейс симулятора добавлены подсказка содержания следующей операции и индикатор правильности выполненной операции. В процессе выполнения работы необходимо следить за индикатором «правильно выполненных операций». В случае правильно выполненной операции значение индикатора увеличится на единицу и появится под-
№ 5-6(17-18)/2011 |
биотехносфера
Медико-технический менеджмент и образование
73
сказка для следующей операции. Если операция выполнена неверно, индикатор не изменяет своего значения и подсказка не изменяется.
Область применения мультимедийного симуля-тора ограничена двумя технологическими процедурами создания поперечных сечений образцов и напыления требуемого материала в заданной зоне методом остросфокусированного ионного пучка и диагностической процедурой высокоразрешающей растровой электронной микроскопии поперечных сечений [3].
Симулятор реализует указанные процедуры последовательностью стандартных операций, выполняемых на многофункциональном аналитико-технологического комплексе Helios NanoLab 400. Последовательность операций, реализуемых симу-лятором, приведена в табл. 1.
Заключение
Развитие современных форм дистанционного обучения и директивные требования по увеличению лабораторно-практической составляющей образовательного процесса определяют необходимость внедрения сетевых технологий удаленного доступа к сложному дорогостоящему оборудованию с целью обеспечения требуемого уровня формирования национальной технологической культуры и повышения экономической эффективности использования уникальной аппаратуры и методик.
Внедрение сетевых информационных технологий для обеспечения удаленного доступа к уникальному дорогостоящему оборудованию актуально для России по причинам значительной протяженности ее территории и необходимости обеспечения
Таблица 1 I Последовательность операций, реализуемых симулятором
Шаг
Операция
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 12
13
14
15
16
17
18
19
20 21 22
23
24
25
26
27
28 29
Pump — откачка системы. Ждем активации — Wake up
Wake up электронной колонны. Ждем, когда кнопка Beam on становится желтой, — прогрев закончен
Активируем ионную колонну, кликнув по рабочему окну колонны мышью
Wake up — ионная колонна. Ждем — когда кнопка становится желтой, прогрев закончен
Ждем, когда кнопка становится желтой, — прогрев закончен. Активируем электронную колонну, кликнув по рабочему окну колонны мышью
Beam /Home FIB — выведение систем апертур в нулевую позицию Beam/Home SEM — выведение систем апертур в нулевую позицию Stage/ Center position — выведение систем апертур в нулевую позицию
Stage/ Home stage — запускается процесс установки стола в нулевое положение. Подождать, пока все процедуры завершатся
Нажать кнопку привязка (под Tools). Появляются изображения в окнах обеих колонн. Настроить яркость, резкость, контрастность
Увеличение до 500 (выпадающее меню под Detectors). Настроить яркость, резкость, контрастность Открыть правую вкладку — перемещение (ромб, 6-я справа)
Установить высоту стола 4000 мкм (Z — 4000 из списка). Настроить яркость, резкость, контрастность Установить ток электронного пучка 0,34 пА. Выведение рабочего стола в положение осаждения и травления Установить увеличение 1000
Повернуть стол на 90° (вертикальная ось R из списка). Настроить яркость, резкость, контрастность Повернуть стол на 53° (горизонтальная ось Т из списка)
Увеличение электронной колонны сделать равным 5000. Настроить яркость, резкость, контрастность Активировать окно ионной колонны, кликнув по рабочему окну колонны мышью Выбрать ток 2,7 pA. Настроить яркость, резкость, контрастность
Увеличение ионной колонны изменить на 1000. Настроить яркость, резкость, контрастность Ток 86 pA. Осаждение
Нажать кнопку «play» (темный треугольник — вершина вправо) — осаждение Установить ток 22 nA — травление Нажать кнопку «play» — травление
Активируем электронную колонну, кликнув по рабочему окну колонны мышью. Наблюдение результатов травления
Устанавливаем напряжение 10 кУ. Настраиваем яркость, резкость, контрастность Устанавливаем увеличение 30 000. Настроить яркость, резкость, контрастность Работа закончена
академической мобильности при минимизации временных и экономических затрат.
Мультимедийный учебно-научный комплекс — симулятор аналитико-технологического оборудования, предназначенный для эффективного освоения интерфейса панели управления и отображения результатов исследований, проводимых в режиме удаленного доступа на многофункциональном аналитико-технологическом комплексе Helios Na-noLab 400, является необходимым компонентом для успешного освоения сложного уникального дорогостоящего оборудования, а также может быть использован на подготовительном этапе дистанционного повышения квалификации и переподготовки кадров и организации исследований в режиме сетевого коллективного доступа.
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008—2011 годы». Государственный контракт № 16.647.12.2021 от 25.11.2010 г. «Создание функционирующего в режиме удален-
ного доступа интерактивного учебно-научного комплекса для выполнения работ по сверхпрецизионному наноразмерному травлению, нанесению и модифицированию материалов с использованием остросфокусированных ионных пучков и виртуальных симуляторов указанных процессов».
| Литература |
1. Иванов А. С., Кузнецова М. А., Лучинин В. В. и др. Сетевая система дистанционного доступа к многофункциональному аналитико-технологическому электронно-ионному зондо-вому комплексу Helios NanoLab // Биотехносфера. 2011. № 4.
2. Иванов А. С., Корляков А. В., Лучинин В. В., Таиров Ю. М.
Профессионально-ориентированное кадровое обеспечение наноиндустрии// Наноиндустрия. 2009. № 4. С. 76—81.
3. Кузнецова М. А., Лучинин В. В., Савенко А. Ю. Физико-технологические основы применения наноразмерной ионно-лучевой технологии при создании микро- и наносистемной техники// Нано- и микросистемная техника. 2009. № 8. С. 24-32.
Гг \
Как оформить подписку?
• В любом отделении связи по каталогам «Роспечать» (по России) — индекс № 45886, через агентства «Урал-Пресс», «Артос-Гал», «Интер-почта 2003», «Информнаука».
• Через редакцию (с любого номера текущего года), отправив по факсу (812) 312-57-68 или электронной почте [email protected] заполненный запрос счета на подписку
Запрос счета для редакционной подписки на журнал «Биотехносфера»
Полное название организации
Юридический адрес_
Банковские реквизиты. Адрес доставки_
Срок подписки_Кол-во экз..
Тел._Факс_e-mail_
Ф.И.О. исполнителя _
Стоимость одного номера журнала напрямую через редакцию 550 руб. с добавлением стоимости доставки (простой бандеролью). К каждому номеру журнала будут приложены накладная и счет-фактура. Журнал выходит 6 раз в год. Отдельные номера можно заказать с получением наложенным платежом. Информация о журнале — www.polytechnics.ru.
Журнал «Биотехносфера» распространяется только по подписке в России и странах СНГ.
№ 5-Б(17-18)/2011 |
биотехносфера
