автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Моделирование структурных элементов проблемно-ориентированной информационно-экспертной системы

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ЕГОРОВ Николай Васильевич

УДК 681.511.22

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники,математического моделирования и математических методов в научных исследованиях ( в отрасли физико-математических наук).

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Санкт- Петербург- 1992г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете.

Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук, профессор Даль Ю.М. доктор технических паук Кравцов А.Е.

доктор физико-математических наук Петренко В.В.

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт элетрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова

Защита состоится 1992г. в ДА час- 30 шш-

на заседании специализированного совета Д-063.57.33 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Санкт-Петербургском государствен' ном университете по адресу : г.Санкт-Петербург, В.О. 10 линия,д. 33, ауд. 88.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. А.М.Горького Сашст-Петербургского государственного университета (Университетская набережная, 7/9.)

Автореферат разослан¿12с£НТ^5>Т,5|1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, капдидат физико-математических / паук, доцепт А.П. Жабко

РООС-..........! «л:..! .1

!з:л ол»:' ОВШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Диссертационная работа посвя-гпспа решопшо методами математического моделирования, численного и натурного эксперимента, концептуальных и частных проблем, возникающих при разработке и создании структурных элементов и л форы анион но-экспертных систем для комплексного пе-разрушающего контроля поверхности приборов микросистемотехники.

Постановки решаемых в диссертационной работе задач тесно связаны с общепризнанным в настоящее время положением, что ощутимые достижения на современном этапе развития техники и технологии возможны только при условии существенного увеличения объема, качества и оперативности получаемой в процессе исследований информации. Однако в настоящее время все известные методы и практически реализованные на их основе инструментальные средства позволяют получать информацию лишь об отдельных характеристиках поверхности. Практическую же и научную ценность могут обеспечить голько комплексные исследования по взаимодополняющим методам "неразрущающей диагностики" с широким использованием современных средств вычислительной техники, математического моделирования, численного и натурного эксперимента. В спою очередь, необходимость совмещения в рамках одного инструментального модуля изаимодопол-няющих, но сильно различающихся по своим физическим принципам методик требует решения проблемы разработки и создания не просто универсальной установки, а информационно-экспертной системы (И'дС). Актуальность темы диссертационной работы обусловлена, таким образом, как однозначным установлением и последние десятилетня определяющей роли физических процессов, протекающих на поверхности, па работу практически всех современных приборов мнкросистемотехники, (а зпачит, и па научно-гехпический прогресс в различных сферах человеческой деятельности и, в конечпом счете, па экономический потенциал общества); так и отсутствием разработанпых и пнедренпых, хотя бы па уровне научло-нсследовательских лабораторий, инструментальных, аппаратных и программных средств, позволяющих получать полную информацию о характеристиках поверхности: одновременно (п реальном масштабе времени) о ее структуре, химическом составе,

магпитных свойствах и т.д.

Сочетание экспериментальной установки и ЭВМ и ИЭС позволяет создать совершенно новую информационную инфраструктуру, шгтегрирующую системы сбора, хранения и переработки информации. В обобщенном виде ИЭС должна состоять из двух модулей: инструментального и информационного, имеющих общее ядро - ЭВМ. В соответствии с пашей концепцией ИЭС в структурах информационного и инструментального модулей должен присутствовать один общий элемент- информационный банк (ИБ). ИБ, является, таким образом, "стержпсвьш" элементом ИЭС. Для того, чтобы выполнять свою стержневую роль ИБ, помимо обладания энциклопедическими знаниями о предмете исследования или контроля, должен являться "хранилищем образов" исследуемых объектов, явлений, процессов,предстанленных в формализованном виде, т.е. в виде математических моделей. При этом применительно к информационному модулю наукоемкость И Б будет определяться триадой г'.модель-алгоритм-ЭВМ", а применительно к инструментальному - степенью адекватности математических моделей данным, полученным в процессе натурного эксперимента. Информационный модуль должен состоять из четырех элементов: 1) упра-влепия установкой, 2) сбора (накопления) данпых, 3)обработки и экспертизы результатов эксперимента и 4) ИБ. В нашей концепции ИБ, являясь стержневым элементом систолы, представляет и главную цель и основпой инструмент достижения этой цели на этапе разработки, проектирования, конструирования, моделирования отдельных элементов ИЭС. При этом использование ИЭС па всех стадиях ее разработки позволяет исследовать все или часть элементов взаимодополняющими методами, что значительно повышает эффективность, оперативность исследований, да и их стоимость, позволяет проверить совместимость элементов и методов и т.д. К тому же в процессе разработки происходит и наполнение ИВ результатами экспериментов, математическими моделями и пакетами программ. Конечно, на этане разработки используются некоторые промежуточные варианты ИЭС, отличающиеся инструментальными модулями и емкостью ИБ. На конечном этапе ИЭС, кроме выполнения основных задач, может использоваться для конструктивного и функционального совершенствования отдельных элементов и ИЭС в целом. ИБ, замкнутый па получа-

теля информации человека-оператора, как уже отмечалось, является общим, связующим модули элементом. Кроме того, структура инструментального модуля в общем шще должна включать еще четыре элемента : 1) источник информации - объект исследования или контроля, 2) источник нереносчика информации (источник диагностирующего сигнала - алектронов, ионов, электромагнитного излучения" и т.д.), 3) средства образования сигнала об изменении параметров диагностирующего (диагностируемого) сигпала в результате его взаимодействия с контролируемым объектом, 4) приемник информации - совокупность устройств для регистрации параметров "вторичпого" сигпала.

Решению специфических задач, связанных с каждым из модулей, посвящена соответствующая часть диссертации, отдельным элементам - главы.

Цели работы: 1) разработка с применением вычислительной техпики, методов математического моделирования, чи-слет.иго и натурного лкснеримеота моделей структурных элементов ИЭС; 2) создание па основе разработанных математических и физических моделей оцчималышх конструкций элементов ИЭС и ИЭС н целом; 3) практическая реализация полученных конструктивных решений нри разработке инструментальных средств, ориентированных на неразрушающий контроль поверхности приборов микросистемотехники; Л) разработка аппаратных и программных средств подсистемы автоматизации ИЭС, включающей управление инструментальным модулем, сбор, накопление, обработку и экспертизу информации; 5) апробашпш разработанных и практически реализованных структурных элемептов ИЭС и ИЭС в целом с помощью пелеиаправленпых натурных испытаний; 6) впедрение технических и программных средств ИЭС в практику научных и прикладных исс.ч едой алий и учебный процесс.

Научная новизна работы и основ п ы е положения, выносимые на защиту, в диссертации предстал л сны: 1) целостной концепцией построения и созда-пия ИЭС, проблемно-ориентированной на комплексный неразру-шающий контроль приборов микросистемотехники; 2) математическими моделями и оптимальными конструкциями элементов инструментального модуля ИЭС: источника переносчика ипформа-

ции, приемника информации, средств образования сигнала; 3) ии-

$

струмептальными, аппаратными и программными средствами информационного модуля, включая подсистемы управления ИЭС, сбора, накопления, обработки и экспертизы информации об объекте исследования или контроля; 4) циклом комплексных исследований на базе ИЭС электрофизических характеристик твердотельных структур с применением взаимодополняющих методов математического моделирования, численного и натурного эксперимента, позволившим получить существнно новую, практически важную информацию об объекте исследования.

Практическая значимость и внедре ние результатов. Проведенные в работе с использованием средств вычислительной техпики, методов математического моделирования, численного и натурного эксперимента комплексные исследования подтвердили эффективность разработанных моделей и оптимальных конструкций структурных элементов ИЭС, методов, способов и алгоритмов их практической реализации. На основе проведенных исследований нолучепо 11 авторских свидетельств и патентов на изобретения. Результаты работы прошли апробацию и внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете, в Санкт-Петербургском техническом университете, СКТБ физического приборостроения с ошдтпым производством АН УССР, .Донецком политехническом институте. Теоретические разработки по проблемам математического моделирования, инструментальным средствам для диагностики поверхности твердотельных структур, аппаратным и программным средствам подсистем управления, сбора, пакопления, обработки и экспертизы информации, получаемой в процессе члелениого и натурного эксперимента, включены в программы спецкурсов и учебного лабораторного практикума на факультете Прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета. Работа выполнена в рамках координационного плана НИР АН СССР по темам: "Разработка математических методов проектирования, создания и эксплуатации систем управления техническими и технологическими процессами" (Номер государственной регистрации 01.82.3047668); "Разработка математических методов, проектирования, создания и эксплуатации систем управления пучками заряженных частшт и плазмой" (Номер государственной регистрации 01.86.01106!'>5).

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались па VIII Всесоюзной конференции "Планирование и автоматизация эксперимента" (Ленинград, 19S6); па IX-XII Всесоюзных семинарах по линейным ускорителям (Харьков: 1985,1987,1989, 1991 г.г.); na XIX-XXI Всесоюзных конференциях по эмиссионной электропике (Ташкент; 1984г, Киев: 1987г., Ленинград: 1991г.); па XIII Всесоюзной конференции по электронной микроскопии (Москва: 1987г.); па 14 и 15 Всесоюзных конференциях "Высокоскорост-пая фотография, фотоинка и метрология быстропротекающих процессов" (Москва: 1989г. и 1991г.), на VI Всесоюзном семинаре "Аптоматизацпя научных исследований в ядерной физике и смежных областях" (Томск: 1991г.); па I Всесоюзном симпозиуме "Методы дифракции электропов в исследовании структуры вещества" (Москва: 1Э91г.); па научных семинарах факультета Прикладной ыатематики-процессов управления Санкт-Петербургского университета.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения и двух частей, включающих 7 глав, заключения и списка литературы, содержащего 437 наименований. Основное содержание изложено па 422 страпицах по сквозной нумерации, в том числе 303 страницы машинописного текста, иллюстрировано таблицами, рисунками и фотографиями на 119 страницах. Приложения занимают CS страниц.

Публикации. По теме диссертации опубликовала 71 работа, которые включены в список литературы. Основпые результаты изложены в работах [1-37].

СОДЕРЖАНИЕ РАВОТЫ.

В общем в и е д е м и и к диссертационной работе отмечается актуальпость проводимых исследований и их практическая ценность, сформулированы цели, методы и направления исследований,дается общая характеристика работы.

В первой части работы последовательно изложены результаты наших исследонаний структурных элементов инструментального модуля, начиная с наиболее важного - источника переносчика информации (ИПИ), которые были поставлены с целыо создания оптимальных конструкций отдельных элементов и инструментального модуля и целом.

Во введении к первой части дастся краткий анализ основных методов исследования и контроля поверхности твердотельных структур. Основной целью этого анализа являлось решение "ключевого вопроса"-выбора материального носителя диагностирующего и диагностируемого сигпалов. Исходя из пашей концепции ИЭС, в качестве диагностирующего (диагностируемого) сигналов выбраны : 1) пучки электронов - для решения задач прецизионного анализа поверхности п условиях сверхвысокого вакуума, и 2) электромагнитное излучение - для экспресс-анализа в естественных условиях. В итоге - оптимальную структуру инструментального модуля определил : 1) необходимый и достаточный набор методов прецизионного анализа : электронная оже-снектроскопия (ЭОС) - (химический состав); дифракция медленных элсктропов (ЛМЭ) - (структура макроповерхностей); полевая эмиссионная микроскопия (ПЭМ) - (структура микроповерхностей), анализатор поляризованных электронов (магнитные свойства), дополненных совместимым с ПЭМ методом СТМ (сканирующая туннельная микроскопия), позволяющим исследовать структуру макроповерхностей как в условиях сверхвысокого вакуума, так и в естественных условиях; 2) пабор методов экспресс-анализа: электротопография и диэлектрическая спектрометрия.

В главе I представлены результаты исследований ИПИ и источников для модификации (ИМ) свойств ИПИ. В §1, в соответствии с целями работы сформулированы требования к ИПИ и отмечено,что выбор в качестве диагностирующего (диагностируемого) сигпалов электронпых пучков при условии, что в качестве ИПИ выбраны источники электронов на основе полевой электронной эмиссии (ПЭЭ)- полевые электронные катоды (ПЭК), позволяет реализовать па базе подобпых структурных элементов одновременно и ИМ, а также эффективные приемники информации (ПИ). А т.к.,кроме того, сравнительный теоретический анализ различных источников электронов показал, что совокупные характеристики ПЭК значительно превосходят соответствующие характеристики других типоо катодов, в том числе широко применяемых па практике термокатодов, внедрение ПЭК в практику могло бы в принципе привести к скачкообразному перемещению инструментальных средств и науки о поверхности в целом на более высокую ступень развития. Но только п том случае, если удастся устранить

основные недостатки ПЭЭ, задерживающие ее широкое внедрепие в практику. К шш прежде всего относятся: 1) малые величины стапионарпых интегральных токов, 2) необходимость использования для функционирования ПЭК сравнительно больших рабочих напряжений (порядка нескольких кВ и больше), 3) сильная зависимость ПЭЭ от состояния поверхности ПЭК.

В последующих параграфах этой главы (и последующих главах) предпринята попытка найти решение отмеченных проблем. Как показал наш опыт исследования ПЭК, практически едипствевной реальной возможностью увеличения абсолютных значений токов является использование высокоэффективных систем с развитой рабочей поверхпостыо-многоострийпых систем (МОС) или систем в форме лезвий. Принципиально увеличепие тока МОС при заданном анодном напряжении по сравнению с одиночным ПЭК пропор-пиональпо числу острий и эффективности их одновременного змит-тиропапня. Однако, простота решения проблемы является кажущейся, т.к. при разработке МОС приходится учитывать две взаимообусловленных тенденции. Следование уже сформулированной первой должио привести к возрастанию интенсивности эмиссии при увеличении количества острий. Влияние второй - к уменьшению эмиттируемого тока »следствии взаимоэкраыировки острт"1. В обобщенном виде сформулированные проблемы сводятся к задаче разработки оптимальных конструкций МОС. Задачу оптимизации, являющуюся, прежде всего, задачей выбора оптимальной конфигурации МОС, предполагалось решать поэтапно: 1) расчет напряженности ноля как функции параметров системы; 2) выбор оптимального соотношения между параметрами системы с целью исключения взаимоэкранировки и получения, таким образом, максимально возможной (нри заданной вслич;1не анодного напряжения) напряженности электрического поля; 3) расчет максимальной величины тока как функции параметров системы и анализ возможностей управления величиной тока з зависимости от конкретных условий и пракпгческих целей. Но, т.к. строгое решение сформулированной задачи невозможно, нами предложена методика ее решения, предусматривагощая последовательное решение нескольких модельных задач: 1) расчет напряженности для модельпой структуры МОС; 2) определение конфигураций электрического поля и построение эквипотенциальных поверхностей как функций геоме-

з

трических параметров системы; 3) моделирование реальпой МОС системой эквипотенциальных поверхностей с оптимальными конфигурациями, легко реализуемыми на практике; 4) и, наконец, расчет величины тока ПЭЭ.

В §2 разработаны математические модели ИПИ и ИМ на основе двумерных МОС (ЛМОС) и выполнен численный эксперимент для определения характеристик ЛМОС. Расчеты проводились для двух вариантов наиболее важной модели ЛМОС - модели, типа "гребенка": "полосы с питями" и "расширинной полосы с нитями". Модельные ЛМОС типа "пила" рассмотрены в приложении 2. Алгоритм численного эксперимента для нахождения поля "полоса с питями" включал : 1) нахождение отображающей функции И7; 2) определение потенциала (/; 3) вычисление Е — £(Л,и,а,6,^,£/о), где а - длина нити, Ь - расстояние от "кончика нити" до анода, 2й -расстояние между соседними нитями. Разработанный алгоритм позволяет вычислять Е для случаев :а) когда длина нити, расстояние между нитями и расстояние от кончика нити до анода величины одного порядка (а ~ 26 ^ 6), и Ь) когда а <ЦЪ,Ь = в.. И, кроме того, учитывает влияние па величину и конфигурацию поля краевых аффектов. Еще одна проблема, которая решалась в §2, связана с определением оптимальных конфигураций отдельных элементов МОС. Первый этап оптимизационной задачи предусматривал аппроксимацию реальной формы элементов лезвийной системы или МОС фушщией :

у = у{х,а,Ь,<1,Ск,иа), где С* - потенциал эквипотенциальной линии,проходящей вблизи ' "копчика" эмиттера. Величина поля лезвия зависит как от геометрических параметров а,Ъ,й , так и от формы вершины лезвия, которая характеризуется радиусом кривизны :

__1_

Г ~ \^Л,а,Ь,Ск,и„)\

Последнее соотношение выражает взаимно-однозначную связь между параметром и радиусом кривизны лезвия г. В этом же параграфе определены основные эмиссионные характеристики МОС такие, как плотность тока, полный ток и площадь »миссии. При вычислении плотности тока } мы исходили из основной формулы теории ПЭЭ из металлов Фаулера и Нордгейма. Для величины

полного тока МОС в результате получено соотношение (функционал):

¡■л _

1 = 2пЬ j з (Е(х, I■(>{•), а, Ь, ¿,и„))у/1+ <р'2(г, а, Ъ, 4, Щ)йх

где л- число лезвий, длина эмиттирующего края лезвия, 1р(х,а,Ь,ё,г,1/о) - значение потенциала на эквипотенциальной линии.

В §3 рассматривались задачи, решение которых имеет принципиальное значение, особенно при решении проблем практической реализации МОС. В "начальных" разделах параграфа предложена методика расчета оптимальной формы фокусирующего электрода, получено соотношение для величины оптимального радиуса отверстия фокусирующей диафрагмы, сформулирован "критерий качества" МОС, позволяющий определить требования, яыполпепие которых обеспечивает стабильную долговременную работу МОС. Осповпая часть параграфа посвящена решению трех задач оптимизации : 1) расчету оптимальной величины Е\ 2) определению оптимального количества нитей-эмиттеров п для МОС при условии, что площадь подложки равна £>*£, а каждый отдельный элемент имеет радиус кривизны г; 3) нахождение оптимального радиуса кривизны лезвия, при котором происходит переход ПЭЭ в ВЭЭ. На первом этапе решения сформулированных оптимизационных задач "сконструированы", с учетом ограничений, определенных физическими требованиями и математическими соображениями, в виде функционалов ФьФ2>Фз соответственно целевые функции Е, .7,1/лр. При этом ограничения разделены на явные, неявные и ограничения с вер лптми и нижними границами основных переменных МОС. Первая и вторая оптимизационные задачи сведены нами к задачам нелинейного программирования. В качестве основного метода решения был выбран метод скользящего допуска. Разработанный алгоритм численного эксперимента, поставленного с целью нахождения оптимального радиуса кривизны лезвия, при котором происходит переход ПЭЭ в ВЭЭ, позволил решить третью оптимизационную задачу при варьировании геометрических параметров эмиссионного диода. Главным результатом решения оптимизационных задач явилось определение конфигураций МОС,

обеспечивающих максимальные значения критериев качества :

= В,Ф2 = J,Фз = ипр.

Основные результаты §2 и 3 представлены в виде таблиц и помо-грамм, позволяющих при необходимости получить ответы на вопросы, которые могут возникнуть в процессе практической реализации и эксплуатации МОС и ИПИ на их основе. В частности, было найдено, что оптимальной конфигурацией отдельных элементов МОС является острие в форме полуэллипсоида.

В §4 дашше, полученные в предыдущих параграфах гл./ были обобщены на случай трехмерных структур. Лля решения трехмер-пой задачи разработала оригинальная методика расчета основпых характеристик острийных систем, основанная па том, что эмитти-рующее острие является, как правило, достаточно "тонким", что позволяет ввести для таких систем малый параметр: отношение характерного поперечного размера острия к его характерному продольному размеру или другим размерам системы (расстояние до апода и т.д.). Основная идея предлагаемого метода заключается в разложении интересующих нас характеристик эмиссионных систем но этому малому параметру. Эти ряды в общем случае являются асимптотическими, однако для достаточно тонких острий несколько первых членов рядов дают достаточно точные значения исследуемых величин. Использование указанной характерной особенности эмиссионной системы позволило свести задачу определения напряженности поля Е к решению краевой задачи для системы без острия и определению ее функции Грина. Такое сведение исходной задачи к решению уравнения Лапласа для системы электродов без острия упрощает ее исследование, т.к. для величины потенциала и функции Грина О удается получить аналитические выражения. В этих случаях для вычисления Е = А11 /к11о(Ио - радиус кривизны острия, Ди - разность потенциалов между острием и анодом) можно использовать полученное нами выражение для геометрическое фактора :

где Ь - длина "оси" острия,го - радиус сечения острия, фс - потенциал па острие, и< - решение краевой задачи без учета острия.

фу-Ц^О, г) Фо-и-{0,0)

в{ 0,0; 0, г),

¡г

Разработанная методика ирименима и для исследования МОС. Однако выражения, получепные для этого случая, громоздки и неудобпы для аналитического исследования. Нами была предпринята попытка их исследования с номощью метода численного эксперимента. Для числеппого исследования была выбрала система полу эллипсоидальных острий, расположешшх в узлах плоской квадратной решетки. В результате было установлено, что упаковка острий плотнее а//-1 ~ 3(а - расстояние между остриями, Н - высота острий) пе является по видимому эффективной.

Резюмируя данные, полученные п гл.1 можно сделать вывод, что в результате описанных исследований удалось заложить теоретическую базу, которую можно было использовать при практической реализации ИПИ, ИМ и ПИ па основе олноострнйлых структур и МОС (гл. IV).

Однако, т.к., кроме источников электронов ИПИ, ПИ, ИМ в качестве обязательных элементов содержат системы формирования и управления (СФУ), в главе II была предпринята попытка, основываясь па оригинальных результата): главы I, решить некоторые задачи, связанные с СФУ па основе ПЭК, пепагцедшие решения до настоящего времени. В §1 после предварительного анализа проблемы сформулировали требования к СФУ.

В §2 рассчитаны характеристики СФУ ИПИ. Существенным отличием нашего подхода от известных является то. что при постановке задачи предусмотрен учет взаимного влияния эмиттера электронов и СФУ как на характеристики каждого из элементов, так и пушки в целом. Т.к. для электронных пушек, используемых для решения задач перазрушающего контроля наиболее приемлемой является структура, состоящая из эмиттера и системы элекгропныл линз (диафрагм), мы исследуех! именно такие структуры. При этом предполагается, что ПЭК имеет оптимальную форму "нолуэллипсоида". В "аналитической" части задачи число диафрагм считается произвольным, опн различаются размерами отверстий и значениями координаты 2, определяющей их положение относительно друг друга и ПЭК. На каждой из диафрагм задан соответствующий потенциал; на ПЭК и плоскости 2 — Ъ потенциал равен ну по. Как это было рекомендовано и §4 гл.1, решение краевой задачи для уравнения Лапласа шлется в виде :

¿/(г, Z) = i/o (г, Z) + и, (г, г) + t/2(r, Z)

Лля определения фупкции U\{t,Z) , представляющей собой решение исходной краевой задачи без учета ПЭК использовался метод парных интегральных уравнений. В этом же параграфе выполнены исследования но траекторному анализу электронного пучка в СФУ для тех же вариантов геометрии электродов и соответствующих им распределений формирующих пучок полей.

В §3 проведено моделирование элементов СФУ для ИМ. В первой части - рассмотрены СФУ на оспове электронных пучков, во второй - ионных. И,если при разработке ИМ па основе ионных пучков, мы смогли частично воспользоваться результатами наших исследований, проведешнлх в §2, то рассмотрение ИМ па основе влектропных пучков потребовало разработки принципиально других физических, а следовательно и математических моделей и соответственно адекватных методов их анализа. Это связано с тем, что, если в случае ионных пучков, используемых в качестве ИМ, в соответствии с общепринятыми требованиями, их можно рассматривать как слаботочные и перелятивистские, то практическое решение задач модификации свойств ИПИ и твердотельных структур требует использования сильноточных и высокоэпергетичных электронных пучков. Т.е. исследование электронных пучков в атом случае можно проводить только с помощью релятивистских уравнений движений (траекторпый анализ) и уравнения Пуассона (полевой). Не меньшую сложность вызывает необходимость учета собственного магнитного поля пучка, весьма существенного при релятивистских скоростях частиц, и внешнего магнитного поля, требуемого для фокусировки частиц, т.к. при этих режимах применение только электростатической фокусировки оказывается малоэффективным. Поставленная таким образом задача решалась для случая модельного сферического эмиссионного диода. Решение нашей модельной задачи предполагало решение с учетом граничных и начальных условий самосогласованной системы уравнений неразрывности потока, Пуассона и движения. Однако, т.к. строгое решение поставленной задачи невозможно, нами применен метод последовательных приближений : 1) на этапе 1 с помощью уравнения Лапласа рассчитывается в нервом приблике-

пии распределение поля в эмиссионном диоде-функция U(г); 2) па этапе 2 численно методом Рупге-Кутта решается система уравнений "крайнего" электрона, выходящего из катода под утлом во и движущихся под действием электрического и магнитного полей, и находится семейство траекторий электрона; по огибающей этого семейства находится пространственное распределение плотпости электронов в пучке - функция р{г); 3) па этапе 3, как и на этапе 1, определяемся распределение поля U(r), но уже с помощью аналитического решения уравпения Пуассона с заданными граничными условиями, в качестве которых используется начальное распределение потенциала пайденпое па этапе- 1; для р(г) используется выражение, найденное на этапе 2 ; 4) на этапе 4 как и па этапе 2, из решения системы уравнений движения определяется семейство траекторий. Но на этот раз в уравнениях движения используется функция У(г), найденная на этапе 3. Повторяя указанную схему расчета, можно иычнелить распределение поля с любой заданной точностью. По известному значению U(r) могут быть вычислены и другие характеристики системы, в частности, напряжеппость поля у поверхности катода, а следовательно и плотность эмиссионного тока. Полученные в процессе числеппого эксперимента зависимости : lg j = /(1/£о) при фиксиронанных значениях магнитного поля Н и 0/©о = /(#) при фиксированных зпачешшх Ец, имели ярковыражеппый пемопотонный характер. Отмеченные магнитные "осциляционные" аффекты для эмиссионных систем па оспове ПЭК ранее нри теоретических исследованиях подобных структур не отмечались.

Глава III посвящепа исследованию ПИ и средств образования сигнала (СОС) об изменении параметров диагностирующего и диагностируемого сигналов. В §1 проанализировали требования к Г1И и СОС и отмечено, что результаты исследований, проведенных в предыдущих главах, могут быть, в зависимости от конкретных условий реализации инструментального модуля, частично или полностью использованы при разработке и ИГ1И и СОС. Это связано с тем, что конструктивно структурные элементы "ИПИ" и "СФУ" подобны ПИ и СОС. Так одноострийпые и мво-гоострийпые структуры могут быть использованы как в качестве ИПИ (ЭОС.ДМЭ) и объекта исследования (ПЭМ), так и в качестве ПИ (СТМ). Поэтому в гл. III решались только задачи, не

нашедшие своего решения в главах I и II.

В §2 исследовалось влияние на характеристики ПИ аффектов, обусловленных взаимодействием ПИ и объекта контроля. Расчеты проводились в соответствии с методикой, описанной в §4 гл.1 и прошедшей апробацию ври исследованиях, проведенных в гл.П. При этом учитывалось, что в рассмотренной модельной системе "острие-диск", каждый из элементов может играть роль и объекта контроля и ПИ.

В §3 предложена оригинальная методика расчета структур электростатических линз, представляющих собой сочетание иммерсионных и квадруполышх линз. В пашем случае эти структуры играют роль СОС для ПИ блока амплитудного анализа. Для расчета полей, создаваемых квадрупольвыми линзами, был применен метод последовательных приближений. Каждое из приближений реализовывалось за 4 этапа : 1) определение поля на поверхности г = п - в зазоре между цилиндрами; 2) определение поля на линиях 2 = ±¿1 - но найденному на этапе 1 полю на поверхности цилиндров г = Г1 ; 3) определение поля па поверхности г = г* - по найденному полю па линиях 2 = на этапе 2; 4) "исправление" поля па линии г = Г] с учетом граничных условий, и определение следующих приближений. Первый этап расчета является самым пажиым, т.к. "обеспечивает" конечный успех предложенной методики. Для получения интегрального уравнения для киадрупольной линзы необходимо с некоторым приближением задать граничные условия па поверхности г = Г] в зазоре между "рогами" квадруполя. С этой целью нами разработана еще одна оригинальная методика, позволяющая определить поле между "рогами" и тем самым задать искомые граничные условия. Основная идея расчета в.этом случае состояла в сведении трехмерной краевой задачи для "цилиндрического" уравнения Лапласа к двумерной с помощью оригинальной замены переменных. На этапе 2, для определения поля во всей области, мы имеем задачу для уравнепия Лапласа с граничными условиями : ЩТ„Т1 = /(уз, У,), где ¡{>р, 2) распределение потенциала на поверхности г = Г1. Решение представляется в виде:

• ЫЛг цг)= V С Л1ы(Ц±г) + ВЫ2п(Ц±г)

' АЫ^п) + ВЪ^г)'

где определяется из граничных условий; и - ре-

шепия уравнения Бесселя. Лля области г = гь В = 0, для г > П, А = 0. Из выражения для определяются распределе-

ния потенциала АГ](г,у>) и М2(г,<р) па линиях 2 =

На третьем этане - по найденному распределению потенциала па линиях Ъ = определялось распределение потенциала па линии т — т\. Для этого решалась краевая задача для уравнения Далласа с граничными условиями : Щ^^г^ = М\{т\,<р). Решение имеет вид :

Ык .Д. г<х> . '

^ = I I г кг г *

х Г соз(2п(^" - - 1)М2(г", у>") + (е1^"*' > — 1)АГ, (г", р"))^

Ja

Из последнего выражения можно определил, значение потенциала Ф1((р,2) на линии г = Г) в промежутке 2 6 ¡—которое будет являться вторым приближением. На четвертом этапе, т.к. п ходе проведенных па первых этапах преобразований поле Ф] по срав-пепию с полем Ф "испортилось" (на "рогах" Ф] уже не принимает постоянного зпачепия), мы его "попраиим" и запустим процедуру снова. И так будем повторять до тех пор, пока па "рогах" пе получатся нужные зпачепия. Предлагаемый итерационный процесс имеет постоянную сходимость и < 1/2. На каждом этапе ошибка уменьшается по крайней мере н два раза.

В §4 решалась частная, но имеющая важное прикладное значение, задача расчета СОС для ПИ энергоапализаторои с магнитным управлением пучка, а также спектроанализаторов ионов, типа магнитного масс-спектрометра, которые и качестве неотъемлемого элемента включают диодную структуру. Эта структура может быть смоделирована системой параллельных плоскостей, находящихся под воздействием скрещенпых электрического и магнитного полей. Полученные данные существенно дополняют результаты наших исследований,описанных и §3 гл. II и свидетельствуют о важпоста учета "осциллирующих процессов" при практической реализации систем с магпитпым управлением пучком.

Исследования и их результаты, представленные в главе IV, в соответствии с общей программой исследований, играют в постановочном плапе (§1) особую роль. Их цель - подтвердить (или опровергнуть) достоверность и практическую цепность результатов наших разработок, полученных в гл.1-111.

В §2 изложены результаты практической реализации структурных элементов инструментального и информационного модулей, созданных в соответствии с теоретическими рекомендациями, сформулированными по только в предыдущих главах первой части, но и во второй части. Это связало с тем, что полученные и демонстрируемые в гл.IV данные являются результатом применения всех разработанных нами средств, т.е. и тех, описание коюрых, следуя нашему плану представления результатов работы, мы отнесли ко второй части. Основные результаты §2 обобщепы пами с помощью разработанной структурной схемы илформацчоино-измерительного тракта ИЭС. Здесь же представлены инструмептальпые и аппаратные средства двух подмодулей инструментального моду ля : 1) для алализа и контроля характеристик ИПИ на основе МОС и 2) для диагностики и исследования свойств поверхности с применением взаимодополняющих методов- ДМЭ,ЭОС,ПЭМ,СТМ; а также описаны схемы электронно (ионыо)-онтичсских систем отдельных узлов инструментального модуля, рассчитанные с помощью методов, разработалпых в гл.1-111, и "подкорректированных" па основании результатов их макетирования и апробации, в том числе : электронных пушек па основе ПЭК, блоков дифрактометра и оже-спектрометра, амплитудного и энергоанализаторов. Уникальным элементом подмодуля для анализа характеристик ИПИ па основе МОС (ПЭК) является также анализатор поляризованных электронов, расширяющий возможности инструментального модуля, т.к. его наличие в составе инструментального модуля позволяет ис-следвать це только структуру и химический состав поверхности, по и ее магнитные свойства. Исследования, результаты которых изложены в §3 и 4, поставлены как целью апробации инструментальных, аппаратных и программных средств ИЭС, так и с целью проверки с ее помощью возможностей практической реализации соответственно ИПИ,ПИ,СФУ и СОС для решения задач пераз-рушающего контроля и эффективных исючпиков для модификации свойств ИПИ и поверхности твердотельных структур. В процессе в тих исследований было проведено также изучение возможностей разработанной нами ИЭС в плане получения сущестенно новых результатов, которые принципиально не могут быть получены с помощью других технических средств. И, кроме того, была предпринята попытка решения проблем, которые нельзя было решить с

использованием только математических методов. Основпые, наиболее важные оригилальные результаты §3 и 4 можно резюмировать следующим образом :

1) Разработаны оригинальные методы "превращения оптимальных математических моделей" в "оптимальпые же натурные образцы" ИПИ,ПИ и ИМ на базе МОС. Выведена формула для оценки эффективности "натурных образцов" МОС :

ли,/и, - 1)1п[2(ц;/ц;)-р) ъгММ)-* Ь[2[ищу] а\к/и{ - 1) 1п(2(г/3/^)-?]' п [1<Ж -1) -1) '

где 1Л\ и ¿/2, и[ и и'г - значения напряжений для двух фиксированных зпачений тока до и после "формовки" МОС; по = 1 или 2 (находится экспериментально); р — 1 или 3. Найденная формула была проверена в процессе численного и натурного эксперимента, что позволило, в результате, обобщить получеппые данные в виде весьма удобных (для практического применения) номограмм.

2) Впервые получена, по-видимому .паиболее полная ВАХ полупроводникового ПЭК, имеющая семь характерных областей изменения тока при увеличении рабочего напряжения. Разработала математическая модель ПЭК, адекватная наблюдаемым экспериментальным фактам. В результате анализа условий получения полной ВАХ на основе полупроводниковых одноостриЙ1ШХ структур и МОС созданы эффективные ИПИ и ПИ, уникальные характеристики которых позволили значительно спизить требования к идентичности структурных, элементов МОС и найти условия да стабильной работы в условиях технического вакуума. Кроме того, для ИПИ определены условия их функционирования в низковольтном режиме (100-1500В), характерном для их применения в методах ДМЭ и ЭОС, и обнаружен эффект "самофокусировки" элек-троппых пучков, генерируемых полупроводниковым ПЭК.

3) Определены максимально возможные значения токов, которые можно получить с помощью одноострийных металлических структур и МОС при их использовании в качестве ИМ, а также найдены условия стабильной работы ИМ в "критических режимах".

4) На основе анализа результатов комплексных исследований, поставленных с целыо выяснения причин появления па эмиссионном изображении ПЭК, предназначенном для использования в качестве ИМ, "колец", являющихся "предвестником" его взрывного

разрушения, предложена и обосновала оригинальная идея "волнового механизма" образования колец. Проведенный анализ позволил получить выражение для оценки длины образующейся волны: А = 1я3*2(Сс1/ауГ}, где I - линейный размер среды, первоначально вовлеченной в колебания, ё - ее смещения, перпендикулярные границе раздела, <3 - модуль сдвига, а - удельная поверхностная энергия. Найденное в результате расчетов значение хорошо коррелирует с определенным экспериментально. Дополнительное подтверждение идеи волнового механизма получено в результате решепия "тепловой задачи" и проведения дополнительных патурпых исследований, в которых изучались характеристики тонких слоев вещества, имеющих температуру, меньшую чем у основного материала (исследовались системы ТЬ-\У). Установлено, что значения температуры, найденные из выведенной нами теоретической формулы:

(/'//)>-1 •

где То и Т"0 и ( ■ значения токов и температур, при которых кольца на эмиссионном изображении появляются соотвегственло без подогрева омиттера, (только п результате протекания эмиссионного тока) и при "подогреве" - с точностью до 2 % совпадают со значениями температуры найденными экспериментально и составляют величины, равные 2/ЗхТ^" , (где 'ГЦЦ - "объемная" температура плавления вещества). Кроме подтверждения нашей гипотезы о "волновом механизме" предвзрывных эффектов, эмпирическая формула для определения Т , позволила нам предложить оригк-пальпый способ определения поверхностной температуры остриц, что особенно существенно для нахождения оигимальных условий функционирования ПЭК.

5) Экспериментально обнаружены, подробно изучены и проанализированы магнитные "осцилляциошше" эффекты, теоретически нредсказаппые в §3 гл.П и в §4 гл.Ш. На основании втих исследований найдены условия стабильной работы ИМ на основе металлических ПЭК, исклющающие возникновение "резонансных" явлений, приводящих к гибели ПЭК.

Заключительные разделы §4 посвящены исследованию ИМ па базе термоиолевых ионных источников (ТПИИ). Исследованные системы, их структура и другие геометрические характеристики

были согласованы с рекомендацией пат их теоретических разработок: 1) В результате впервые практически реализованы (па базе структур Au-Si, Ga-S¡, Al-Si, Jn-Si и т.д.) высокоэффективные стационарные и импульсные ионные источники для модификации свойств ИПИ'. В процессе этих же исследований открыт эффект и предложен оригинальный способ увеличения эмиссионной способности ионного источника. 2) Здесь же был подтвержден установленный нами ранее факт, из которого следует, что температура плавления топкой пленки металла (в данпом случае Au, Jn,Al) составляет 2/3 от его объемной температуры плавления. 3) Кроме того, ва основе ТПИИ, использованного в качестве ИМ, и электронной пушки па базе МОС, с помощью которой осуществлялся отжиг поверхности, разработан оригинальный способ создания на основе многоострий-пых полупроводниковых структур ИПИ и Г1И с наперед заданными характеристиками. 4) И, наконец, на оспове данных, получеппых, с помощью инструментальных, аппаратных и программных средств неразрушающей диагностики, реализованных па базе ИЭС, позволяющей однопременпо осуществлять контроль за изменением структуры, химического состава и магнитных свойств приповерх-постного слоя материала, подвергшегося модификации и отжигу, сформулированы требования к ИПИ,ПИ,ИМ и т.д., обеспечивающие их оптимальные характеристики и условия функционирования, гарантирующие необходимый результирующий эффект.

В заключении по первой части резюмированы основные результаты этой части работы.

Во введении ко второй части отмечено, что информационный модуль цредставляет собой совокупность функционально связанных элементов, которые, наряду с измерением, обеспечивают все необходимое информационное обслуживание, включающее управление инструментальным модулем, автоматизированный сбор, представление, передачу, запоминание, регистрацию и обработку полученной п процессе численного и на-туриого эксперимента ипформации. Являясь одшш из двух базовых структурпых узлов ИЭС, информационный модуль предназначен также и для "обслуживалия" инструментального модуля, выполняя к тому же функцию экспертной системы. Некоторые из результатов, изложение которых в соответствии с нашим планом их представления в осповиом отнесено ко второй части, но пепо-

средствсгшо связанных с решением частной проблемы практической реализации элементов информационного модуля, как уже отмечалось, отражены в описанной в §2 гл.IV первой части обобщенной структуре информационно-измерительного тракта ИЭС.

Глава I посвящена решению проблемы практической реализации возможности пе только измерения характеристик инструментального модуля, по и экспертизы их "качества" па основе методов статического и амплитудного анализа сигналов ."несущих" информацию об объекте исследования или коптроля. Цель, которая должна быть достигнута с помощью описьшаемых в этой главе аппаратных и программных средств, заключается в осуществлении общей экспертизы в широкой области путем "очерчивания" различия между зпаниями, полученными (,и накопленными в ИВ) в процессе проведения собственных исследований с использованием взаимодополняющих методов, (а также при анализе литературных источников), и механизмами, манипулирующими этими знаниями. Предпосылки к созданию такой экспертной системы были заложены папшми исследованиями, результаты которых изложены в первой части, и позволившими разработать необходимые инструментальные и аппаратные средства, обеспечивающие (в ре.и:ьном масштабе времени) измерение, накопление, представление и предварительную обработку информации. Однако для практической реализации возможности проведения экспертизы инструментальных средств недостаточно : дополнительно требуются специализированные устройства, адаптированные к используемым инструментальным, а также вычислительным средствам, па базе которых реализованы инструментальные. Условия адаптации будут выполнены, если при разработке и создакшт указанных специализировали! х устройств удастся реализовать возможность получения информации в соответствии с определенной системой правил, которые при необходимости могут быть изменены онератором-ис-следоватслсм. Всем перечисленным (и сформулированным в §1) требованиям удовлетворили разработанные нами и описанные соответственно в §2 и 3 статический и ам ;литудный анализа-горы. Основные характеристики статического анализатора: 1) число каналов анализатора - 1024; 2) емкость канала - 21® -1; 3) ширина капала - ЮмВ; 4) максимальная загрузка- 2 * 10® нмп/'с; 5) диапазон входных сигналов - 0-10В; 6) другие характеристики - не

хуже,чей у аналогов. Амплитудный анализатор, предназначенный для ввода аналоговой информации, работает в двух режимах - регистрации и экспертизы : 1) мгповепных значений и 2) амплитуд импульсных сигналов. Основные характеристики этого устройства следующие : 1) число каналов - 4096; 2) диапазон входных сигналов ( -10...+10В ); 3) время преобразования не более 9 мкс; 4) апертура задержки не, менее 300нс. При подключении к магистрали микро-ЭВМ,тина "Элекгроника-бО" через стандартное устройство ИЗ реализуется прямой доступ в память. Выбор системных устройств ЭВМ, включающих системный терминал, внешнюю память па гибком магнитном диске и устройство печати, дополнен системой накопления информации на базе кассетного накопили па магнитной лепте А318-6 и устройствами оперативного контроля : клавишным регистром и оригинальным устройством, обеспечивающим 512*256 точек изображения с 256-ю градациями яркости. Все описанные в гл.1 этой части аппаратные средства прошли успешную апробацию при практической реализации элементов инструментального модуля.( см. г л. IV первой части).

Если технические средства,представлепные в гл.1 /'специализировали" толт.ко па "обслуживание" подмодуля инструментального модуля для диагностики ИПИ,ПИ,СОС и т.д., то аппаратные и программные средства, описанные в г л а в е II являются и до-, статочной степени универсальными. На их осноче реализуются как автоматизированные системы сбора, представления, накопления и передачи информации, полученной при исследованиях и контроле элементов инструментального модуля, так и экспертные системы. Конечно, при разработке аппаратных средств мы также, как и в гл.1, исходили из необходимости их "привязки" к инструментальным средствам и, прежде всего, подмодуля для прецизионной диагностики. Но, т.к. представление любой информации об объечгге исследования происходит не иначе, как в "графической" форме, т.е. в виде : 1) различных изображений (в нашем случае дифрвкциопные, полевые картины, электротопограммы и т.д.) и 2) разнообразных, обычно "перекрещивающихся'' кривых линий, отражающих зависимости между определенными характеристиками (оже-спектры, импульсные "отклики" па воздействие "электромагнитного" возмущения и "несущие" информацию об объекте исследования в методе диэлектрической спектрометрии и т.д.), в »той

главе нами был реализован комплексный иодхол к проблеме.

В §2 представлены разработанные нами аппаратные средства для регистрации и первичной обработки информации. Для этой цели разработана система, состоящая из двух устройств : 1) преобразования информации в цифровой код и 2) отображения. Система подключается к магистрали ЭВМ с помощью стандартного модуля параллельного обмена. Одна1«э эти устройства играют в процессе экспертизы графической информации (ГИ) вспомогательную роль, т.к. их фупкции ограничиваются только обработкой изображений, зарегистрированных па фотопленке.

Универсальными возможностями обладает разработанный нами преобразователь изображений (ПРИЗ), который обеспечивает преобразование результатов физических эк< перимептов, представленных н графической форме как непосредственно, так и на промежуточном носителе - в цифровой код для последующего ввода в ЭВМ. Устройство может быть иснользовапо, в частности, в исследованиях, в которых пучок заряженных частиц или электромагнитное излучение взаимодействует с люминесцентным экраном при изучении процессов, когда традиционно используется представление данных об изменении характеристик контролируемого объекта, например, в виде графиков или импульсов на экране осциллографа, графического дисплея, графопостроителя. ПРИЗ состоит из телевизионной передающей камеры, привода телекамеры, обеспечивающего квантовапие видосигнала по уровню и кадриропапис изображения по синхросмеси телевизионного сигнала и памяти изображения, предназначенной для буферизации изображения в объеме кадра. ПРИЗ подключается к ЭВМ через устройство сопряжения. Основные технические характеристики : 1) формат кадра-512*256 точек; 2) разрешающая способность по яркости - 64 градации; 3) время записи кадра в буферную память- 20мс; 4) скорость обмена с ЭВМ - не более 2.5мбайт/с; 5) потребляемая мощность -60 ВА; 6) габариты - 470*310*60 (плюс телекамера).

В §3 и 4 описало соответственно специализированное программное обеспечение (ПО) комплекса прецизионного анализа и системное ПО аппаратных средств информационного модуля. При этом основное внимание обрашепо па разработку универсальных средств ПО без их привязки к конкретным методикам диагностики.

Принципы построения структуры ПО, интерпретирующего коди-

ponanniJe операторы программы исследования, обеспечивают высокую гибкость и отношении : 1) конструирования языка операторов (языка директив); 2) включения исполнительных функциональных модулей (подпрограмм); 3) компановки всей системы в целом, в том числе в направлении оптимизации используемых ресурсов.

Каждый элемент (ПО) может быть отнесен к одному из следующих типов : 1) системная программа обеспечивающая связь с устройством и включаемая в состав используемой оперативной системы и 2) системная подпрограмма - модуль, обеспечивающий работу специализированного ПО, построенного по принципу интеграции директив.

Системиые подпрограммы выполняют ввод и интерпретацию директив, включение и исключение подпрограмм, обеспечивают связь с операционной системой-носителем и пылают сообщения о наборе интерпретирующих подпрограмм, выполняя "задание" управляющих воздействий па отдельные элементы инструментального модуля, ввод и обработку даипых, вывод на внешнюю память и па другие системные устройства ЭВМ (путем обращения к модулям информационной системы). Система ПО может работать как автономно, так и в среде стационарной операционной системы. Объем модуля интерпретатора, являющегося связывающим узлом структурного "древа" системы, невелик и составляет 256 слов. Системная программа, обеспечивающая доступ к преобразователю изображений -РТ, SYS реализует оригинальный подход к обработке изображений - "подход" окпа, заданным своим расположением и размерами. В частном случае в качестве "окна" могут выступать столбец или строка изображения.

Органически связан с "подходом" окна еще один (используемый пами при обработке и экспертизе Г'И) метод - медианной фильтрации, позволяющий сохранять без изменения перепады яркости и,тем самым, особенно удобпый при обработке "пятнистых" картин. На базе медианного фильтра разработали алгоритмы выделения границ к объектов с передачей их интенсивности без искажения и флуктуацкй.

Как уже отмечалось все оцисашгае в этой главе средства, в том числе и автоматизированная система обработки и экспертизы ГИ, являются универсальными. Варианты, разработтпплх нами ип-

струмснталышх, аппаратных и программных средств, учитывающие специфику конкрётпых методов диагностики поверхности (в частности, ПЭМ, ДМЭ и т.д.) нредставлепы п приложении G.

Глава III посвящена разработке аппаратных и программных средств подмодуля информационного модуля для экспресс-анализа. В §1 сформулированы требования к элементам ИЭС, предназначенным для осуществления экспресс-анализа. Наш вариант этого подмодуля базируется на новых методах, которые реализуются в естественных условиях "воздушной среды" : электротопографии, разработанном А.Е.Кравцовым, и диэлектрической спектрометрии [30]. Здесь сразу же необходимо отметить, чго практически все разработанные и описапные в гл.П, а также в 52 гл.IV первой части, инструментальные, аппаратные и программные средства были использованы нами при практической реализации инструментального подмодуля для экспресс-анализа. Это, прежде всего : 1) управляемый источник высокого напряжения [18] и 2) генератор высоковольтных прямоугольных импульсов [11,12] - в качестве источников диагностирующих сигналов - соответственно, для "электротопографии" и "диэлектрической спектрометрии"; 3) инструментальные средства информадиоипо-измерительлого тракта, и 4) аппаратные и программные средства автоматизированной системы обработки ГИ - для предварительной обработки и экспертизы "электротопографической" и "диэлек-троспектрометрической" информации.

На основе управляемого источника и генератора нами разработана система управления комплексом для экспресс-анализа (§2): в двух вариантах - для первого, предназначенного для применения в научно-исследовательской лаборатории, в качестве "ядра" системы выбраны универсальные микро-ЭВМ, типа ДВК-3 и JBM PC/AT; второй, ориентированный на использование в составе "бортовой системы", создан на базе микропроцессорного комплекта. Для того и другого варианта системы управления разработало специализированное программное обеспечение, адаптированное к соответствующим вычислительным средствам.

Как уже отмечалось аппаратные и программные средства, описанные в гл.П, можно было использовать только для предварительной обработки и экспертизы экспресс-информации. Применительно к влектротопографическому методу это связало с тем,

что, хотя в самом общем плане элсктротопограммы пе отличаются от полевых эмиссионных или дифракционных картин, они "несут" принципиально иную информацию об исследуемой поверхности, а именно - информацию о распределении дефектов (дислокаций, трещин и т.д.) по поверхности. Однако при разработке и создании автоматизированной системы для экспертизы (и соответствующего специализированного математического обеспечения) наша задача в некоторой степени была облегчена -тем обстоятельством, что, в частности, для "наполпепил" ИВ мы могли воспользоваться пе только данными наших исследований, но и математическими моделями, полученными в достаточпо полной и логически непротиворечивой теории "электротопографического эффекта".

Основные характеристики нашей "ячейки" для электротоногра-ф1гческой диагностики таковы: разрешение получаемых электрото-пограмм - от 50 до 200 линий/мм, толщина исследуемых образцов - до 500мм, время экспонирования от 10 до 1500с, производительность - 30 операций в час.

Если при создании средств электротопографической диагностики мы могли, хотя бы частично, воспользоваться собственным опытом, получепным при разработке средств прецизионного апализа и опытом авторов метода, ввиду того, что наши исследования по диэлектрометрии относятся к числу "пионерских" нам пришлось решать практически все проблемы, связанные с реализацией этого метода. И, прежде всего, вопросы, связапные с разработкой систем сбора, накопления, обработки и экспертизы информации. В §3 подробно рассмотрены именно эти вопросы : разработаны математические модели, специализированное математическое обеспечение н обобщенные алгоритмы, базирующиеся на методах Фурье-анализа и обеспечивающие управление комплексом, сбор, обработку и экспертизу "диэлектрометрической" информации. Здесь же представлены результаты, апробации и макетирования разработанных систем. Наш опыт применения метода диэлектрической спектрометрии и результаты его внедрения показали, что его можно рассматривать как одип из наиболее информативных методов, т.к. получаемая с его помощью информация содержит как сведения о структуре, так и о внутренних связях материала.

Кроме того, в процессе апробации и макетирования установлено, что разработанные в этой главе инструментальные, аппаратные и

программные средства экспресс-анализа, которые при постановке задач диссертационной работы рассматривались как вспомогательные, предназначенные для их использования только в условиях промышленного производства, (когда применение прецизионных методов не возможно), полезны и при исследованиях, проводимых в условиях научно-исследовательской лаборатории, т.к. позволяют, ориентируясь на данные экспресс-анализа, оптимальным образом спланировать прецизионный эксперимент.

В заключении по пторой части подчеркивается взаимосвязь, взаимообусловленность исследований, выполненных п втой части работы, и исследований, а также их результатов, описанных в первой части.

В общем заключении подведены основные итоги диссертационной работы.

Основные материалы диссертации нашли отражение в следующих публикациях :

1. Егоров Н.В. О возможности получения узкоколлимированпых электронных пучков// ЖТФ.- 1982.-Т.52.-Н12.-с.2440-2442

2. Егоров Н.В. Физическая модель процессов, протекающих в автоэмиссиошюм диоде// Письма в ЖТФ.-1982.-Т.8.-Вып.17.-

с. 1038-1041.

3. Егоров Н.В.,Небратенко .В., Овсянников Д.А. К расчету поля в структуре с трубками дрейфа // Вопросы атомной пауки и техники. Серия:техпика физического эксперимента.-1983.-Т.3(15).-с.80

4. Егороа Н.В.,Овсянников Д.Л., Тимофеев М.У. Расчет электростатического поля многоэмиттерпой системы формирования ленточного пучка// В кп.: Динамические управляемые системы.-Якутск, 1983.-С.25-37.

5. Егоров Н.В..Карпов А.Г. Система обработки графической информации // ПТЭ. -1984.Ь'5.-с.СЗ-65; М.: Изд-во ВИНИТИ,1983,-(Ш218-33)-43с.

6. Егоров Н.В.,Карпов А.Г. Система накопления ипформашш растровой оже-приставки электронного спектрометра// ПТЭ.-1985.-N2.0.165-167; М.: Изд-во ВИНИТИ, 1984.-(Н7264-84).-23с.

7. Егоров. Н.В.,Овсянников Д.А..Тимофеев М.У. Оптимизация шюгоострийного автокатода//В кн.¡Тезисы докладов 19 Всесоюзной конференции по эмиссионной влектропике.-Таткент,1984.-с.61.

»

8. Егоров Н.В.,Небратеяко C.B..Старков A.C. К методике расчета электрического ноля п периодических системах квадруноль-ных линз// >KTÎ>.-1985.-T.55.-N3.-c.628-631.

9. Алмазов А.А.Егоров Н.В..Карпов А.Г. Универсальный комплекс для автоматизации физического эксперимента// ПТЭ.-1985.-N2.-c.22G

10. Егоров Н.В. Эффекты, предшествующие переходу автоэлек-тронпой эмиссии полупроводников р-т1ша во взрывную// ЖТФ.-1985.-N3. -с.628-631

11. Егоров Н.В.,Кал.чистов К.О,Харитонов O.A. Установка для исследования импульспой автоэлектропной эмиссии// ПТЭ.-1985,-N2.-c.165-167

12. Ащеулов С.В..Егоров Н.В.,Каллистои К.О. Кодовый гепера-тор для управления высоковольтными импульсными устройствами// ПТЭ.-1985. -N5.-c.95-96

13. Егоров Н.В.,Небратенио C.B. К расчету электрического поля для акснальносимметричпой ускоряющей структуры// В кн.: Математические методы анализа управляемых процессов.-Л.: Изд-во ЛГУ,1986 -с.11-25

14. Егоров H.B.,KapnoD А.Г. Комплекс для амплитудного анализа на базе микро-ЭВМ "Электроника-бО"// 1IT3.-1S80.-N1.-c.227

15. Алмазов А.А,Егоров Н.В. К методике расчета автоэмист сиопных систем // Радиотехника и электроника,-198G.-T.31.-N12.-с.2452-2458

16. Егоров Н.В.,Карпов А.Г. Комплекс обработки изображений// ЛТЭ.-lSSô. -N5.-c.231

17. Егоров Н.В..Прудников А.II..Харитонов O.A. Высокостабильный автоматический программируемый терморегулятор// ПТЭ. 1987.-Nl.-c.246

18. Егоров II.В..Прудников А.П.,Харитонов O.A. Управляемый высоковольтный источник// ПТЭ.-1937.-Ш,-с.230

19. Егоров Н.В.Овсяппиков Д.А.,Тимофеев М.У. К методике расчета оптимальной структуры многоострийного полевого катода// В кп.: Тезисы докладов 20 Всесоюзной конференции по эмиссионной электропике.-Т.1.-Киев,1987.-с.208

20. Егоров Н.В.,Карпов А.Г. Автоматизированная система управления параметрами инжектора электронов на базе автоэмиссиоп-пого катода // Вопросы атомной науки и техники. Серия: техника

физического эксперимента.-1987.-Выи.3(37).-с.58-59

21. К гор он Н.В.,Карнои А.Г. Система анализа импульсов для микро-ЭВМ "Электроника-СО"// ПТЭ.-1989.-Ы1.-с.57-63;-М.: Изд-во ВИНИТИ, 1988.-(Ы7433-В.88).-51с.

22. Егоров Н.В..Карпов А.Г. Автоматизированная система обработки и регистрации изображений// ПТЭ.-1989.-Ш.-с.92-96;-М.: Изд-во ВИНИТИ, 1Э88.-(М7159-В.88).-57с.

23. Егоров Н.В. Модельные задачи теории нолевой электронной эмиссии полупроводников// В кн.: Тезисы докладов межотраслевого совещания по полевой электронной микроскопии.- Харьков, 1989.-c.45

24. Егоров Н.В..Овсянников А.М. Исследование статистики нолевой элект ронной эмиссии полупроводником// В кн.: Тезисы межотраслевого совещапия по полевой электронной микроскопии.-Харьков, 1989.-c.50

25. Егоров Н.В.,Корольков А.Е. Исследование термополевой электронной эмиссии систем металл-полупроводник// ЖТФ.-1989,-Т.59.-Ш0. -с.129-131

'26. Апгеулов С.В..Егоров Н.В..Овсянников Л.А. Источники ионов металлов на основе термополевой и взрывной ионной эмиссии// Вопросы атомной науки и техпики. Серия: ядерно-фи шче-ские исследования (Теория и эксперимент).-1989.-Вып.5(5).-с.100-102

27. Егоров Н.В..Жаворонков В.И..Карпов А.Г. Автоматизированная система обработки изображений при диагностике поверхности твердого тела// В кн.: Тезисы 14 Всесоюзной научно-технической конференции "Высокоскоростная фотография, фотонпка и метрология быстропротекающих процессоп".-М.,1$89.-с.135

28. Алмазов А.А..Егоров Н.В. Математическая модель авгоэмис-сиопиого диода// В кн.: Математические методы моделирования и анализа управляемых процессов.-Л.: Изд но ЛГУ, 1989.-е.20-28

29. Егоров Н.В.,Овсяпшн«>в Л.А. Эффективный полевой источник электронов // Вопросы атомной науки и техники. Серия: ядерно-физические исследования (Теория и эксперимент).-1990.-Вып. 10(18).-с.67-68

•30. Алмазов А.А.,Егоров Н.В.,Резников М.А. Микропроцессорная система релаксационной хронометрии диэлектриков// В кн.: Методы и средства дим-ностики несущей способности изделий из

композитов. Практика создания и применения. Т.2.-Рига: Зи-натне, 1991.-С.125-131

31. Егоров Н.В.,Жуков В.М. К расчету эффективности сглаженных многоострийных полевых эмиссионных катодов// В кн.: Тезисы докладов 21 Всесоюзной конферепции по эмиссионной электропике. -Л.,1990.-е.240

32. Алмазов А.А.,Виноградов Е.М..Егоров Н.В. Математическая модель электронной пушки с полевым катодом// В кн.: Тезисы докладов 12 Всесоюзного совещания по линейным ускорителям заряженных частот. - Харьков,1991.-с.39

33. Егоров Н.В..Резников М.А. Модель полевого полупроводникового источника электропов// В кн.: Тезисы докладов 12 Всесоюзного семинара по линейным ускорителям заряженных частиц. -Харьков, 1991. -с.55

34. Жуков В.М..Егоров Н.В. Об эффекте "колец" на эмиссионном изображении автокатода в предвзрывном состоянии// ЖТФ,-1ЭЭ1.-Т.61. -Выл.3.-е. 170-173

35. Егоров Н.В..Карпов А.Г. Автоматизация исследований методом дифракции медленпых электропов //В кп. Тезисы докладов 1 Всесоюзного симпозиума "Методы дифракции электронов в исследовании структуры вещестпа",- М..1991.-С.132

36. Егоров Н.В..Карпов А.Г. Регистрация и обработка импульс-, ных откликов микросекупдного диапазона// В кн.: Тезисы 15 Всесоюзной паучно-технической копферепции " Высокоскоростная фотография, фотопика и метрология быстропротекающих процессов".-М.,1991.-с.89

37. Егоров Н.В. К расчету характеристик полевого эмиттера с учетом влияния собственного магнитного поля пучка и внешнего магнитпого поля// В кн.: Дифференциальные уравнения и приложения.-Тула: Изд-во ТПИ, 1992.-С.94-104