Создание базы данных экспериментов с плазменным кристаллом

Петрозаводский государственный университет

Кафедра информационно-измерительных систем и физической электроники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Создание базы данных

экспериментов с плазменным кристаллом

Магистерская диссертация

 

 

 

 

Выполнил:

Магистр 2 года обучения

Соколов А.В.

Научные руководители:

Профессор, к. ф.-м. н.

Луизова Л.А.,

Доцент, к. ф.-м. н.

Мощевикин А.П.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Петрозаводск, 2005

 

Реферат

Магистерская диссертация содержит:

• Страниц: 93
• Рисунков: 7
• Таблиц: 20
• Ссылок на литературу: 8

 

Ключевые слова: плазменный кристалл, база данных, MySQL, HTML, PHP.

Целью данной работы является создание базы данных для хранения информации, представляющей собой результаты научных экспериментов с плазменным кристаллом, разработка интерфейса взаимодействия пользователя с базой данных, а также организация доставки хранимых данных, их изменения и дополнения.

 

Содержание

 

Введение

Несмотря на широкую распространенность в природе и исключительно важную роль в самых различных областях науки и техники: от источников света до термоядерного синтеза и нанотехнологий – плазма, исследования которой продолжаются уже второе столетие, остается до конца не понятым объектом. Даже для простейших случаев газового разряда в инертных газах теоретики не могут предложить четкого алгоритма расчета внутренних параметров плазмы и ее эмиссионных характеристик на основе произвольно устанавливаемых экспериментатором факторов (размер среды, напряжение питания, род и давление газа). Тем не менее, не прекращаются попытки построить модели значительно более сложных экзотических плазменных сред. Так в 70-х и начале 80-х годов прошлого века появляются работы, в которых на основе классической статистической механики с использованием численных методов решения соответствующих уравнений методом Монте-Карло исследуются свойства однокомпонентной полностью ионизованной плазмы гелия при температуре около 108 К и плотности вещества 1029 cм-3. Считается, что такую плазму можно найти во внешних слоях нейтронных звезд и внутри белых карликов. Показано, что свойства такой плазмы определяются безразмерной переменной:

Здесь Т – температура плазмы, k – постоянная Больцмана, а – среднее расстояние между ионами: , где N – концентрация ионов. Z – заряд иона, выраженный в единицах заряда электрона. Параметр Г, имеющий смысл отношения средней энергии взаимодействия зарядов в русскоязычной литературе называют «параметр неидеальности», а в англоязычной – «Кулоновский параметр» или «константа взаимодействия». В результате численных расчетов получено, что при больших значениях Г (Г>160) энергетически более выгодным становится упорядоченное расположение ионов в «узлах» кристаллической решетки, около которых совершаются лишь незначительные колебания. При снижении Г до значений менее 135 начинается «плавление» этого кристалла и при значениях, меньших 1, всякая упорядоченность в расположении ионов исчезает. Очевидно, не было никакой возможности проверить эту теорию, т.к. в лабораторной плазме Г существенно меньше 1.

Помимо внутренности белых карликов, физиков в конце прошлого века заинтересовал другой тип сложных плазменных объектов, в отличие от белых карликов, встречающийся не только в космических просторах, но и в лабораторных и технологических установках – это пылевая плазма, т.е. плазма, в которой присутствуют или образуются макроскопические частицы.

В 1986 г. мало кто обратил внимание на работу, автор которой показал, что пылевые частицы приобретают в плазме отрицательные заряды, на несколько порядков превосходящие заряд иона, а температуру имеют близкую к комнатной и поэтому вполне могут формировать «кристаллы», доступные для наблюдения в лабораторных условиях. Такое наблюдение позволило бы проверить теоретические построения работ.

Настоящий бум работ по экспериментальному наблюдения упорядоченных структур в плазме и их теоретическому описанию начался после того, как в 1994 такая структура действительно была зарегистрирована в плазме высокочастотного разряда при низких давлениях.

На данный момент актуальной является задача построения и экспериментального утверждения теоретических моделей, позволяющих предсказать формирование упорядоченных структур из конкретных частиц в определенной плазменной среде.

Для построения алгоритма расчета необходимо обработать большое количество экспериментальных данных, которые содержат наиболее полное описание факторов, влияющих на формирование «кристалла» и, следовательно, результаты эксперимента. Также очень важным является осуществление удобного и быстрого доступа к данным эксперимента, возможность обработки существующих и добавления новых записей, а также простого поиска нужных записей. Очевидно, что без использования базы данных (БД) не обойтись.

БД представляет собой структурированную совокупность данных. Эти данные могут быть любыми – от простого списка предстоящих покупок до перечня экспонатов картинной галереи или огромного количества информации в корпоративной сети. Для записи, выборки и обработки данных, хранящихся в компьютерной БД, необходима система управления базой данных (СУБД). Поскольку компьютеры замечательно справляются с обработкой больших объемов данных, управление БД играет центральную роль в вычислениях. Реализовано такое управление может быть по-разному – как в виде отдельных утилит, так и в виде кода, входящего в состав других приложений.

В настоящих момент в мире существует масса информационных источников, доминирующим средством обработки данных в которых являются СУБД. Но открытость информации во многих БД отнюдь не означает легкость доступа к данным для непрофессионального пользователя, так как для этого необходим не только физический доступ к соответствующей СУБД, но также и знания об используемой модели данных, схеме БД, и умения пользоваться языком запросов. Что касается языка запросов, то проблему частично решает протокол ODBC (Open DataBase Connectivity), позволяющий направлять ограниченный набор операторов SQL (Structured Query Language) к произвольному серверу БД. Но это только частичное решение, поскольку оно никак не способствует созданию унифицированного интерфейса конечного пользователя. Поэтому сегодня проблема предоставления удобного доступа к имеющимся данным, которые хранятся БД, остается очень актуальной для многих организаций, компаний, научных учреждений, и решение ее видится только в свете применения веб-технологий.

World Wide Web позволяет осуществить доступ к БД, предоставляя средства для разработки простого, удобного интерфейса пользователя и средства взаимодействия с прикладными программами. Преимуществами такого подхода являются:

• возможность доступа к БД посредством так называемого «тонкого клиента» – компьютера с установленной на нем стандартной программой-обозревателем Интернет (Netscape Communicator, Microsoft Internet Explorer, и т.п.) вместо использования специфических программ-клиентов;
• прозрачность для пользователя работы с удаленными БД (сервер БД может находиться как в локальной сети, к которой подключен пользователь, так и на другой стороне земного шара);
• мобильность клиента: в качестве клиента может использоваться любой компьютер, под управлением любой ОС, имеющий обозреватель Интернет;
• легкость доступа к БД (для доступа к базе данных необходимо лишь иметь компьютер, подключенный любым способом к сети Интернет – вся маршрутизация осуществляется серверами сети автоматически). При этом обеспечивается нужный уровень защиты данных.

 

Целью данной работы является разработка структуры БД для хранения данных, представляющих собой результат научных экспериментов с плазменным кристаллом (в частности экспериментальных данных изучения пылевой плазмы в газовом разряде), фильтрация имеющихся данных и занесение их в подготовленную БД, разработка концепции взаимодействия клиента (посредством обозревателя) и сервера. В нее входят: написание приложения для поиска среди имеющихся данных, для занесения новых данных; доставка информации до пользователей; оформление дизайна страницы, в том числе, с которой будет осуществляться передача данных серверу, а также выбор формата и стиля представления результатов поиска. Кроме того, в мою задачу входило осуществление возможности создания, хранения статей, относящихся к предметной области, а также поиска по имеющимся статьям.

 

1 ИИС для исследования пылевых кристаллов

1.1 Описание ИИС

 

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

 

Схема экспериментальной установки с возможностью одновременной регистрации электрических характеристик плазмы, спектральных характеристик газового разряда и изучения влияния исследуемого объекта (пылевого кристалла) на них представлена на рис. 1. Стеклянная разрядная трубка (1), в плазме тлеющего разряда которой формируется пылевой плазменный кристалл,  откачивается до 1,33*10-2 Па и заполняется неоном. Никелевые анод (2а) и катод (2), расстояние между  которыми составляет 490 мм, находятся сбоку разрядной трубки. Для хранения и ввода частиц во время эксперимента применяется металлический контейнер (3) с полидисперсными 1-60 мкм частицами оксида алюминия Al2O3. После включения высоковольтного источника тока (14) разрядный ток в трубке задается набором сопротивлений (15). Для регистрации напряжения на разрядной трубке параллельно ей подключен высоковольтный делитель (16, 17), с низковольтного плеча которого (17) снимается напряжение в отношении 1:1000. Разрядный ток определяется по падению напряжения на эталонном сопротивлении (18), номиналом 1КОм. Сигналы, определяющие значения тока в плазме и напряжение на разрядной трубке, выраженные в виде потенциала, падающего на резисторах (18) и (19), поступают по экранированной витой паре (13) на аналоговый вход многофункциональной платы PCI-1802L, установленной в персональном компьютере (11), где происходит их преобразование в цифровой код (оцифровка) и сохранение в памяти компьютера. Для настройки, проверки точности измерения многофункционального адаптера на этапе тестирования и дублирования показаний применяются цифровые вольтметры В7-27 (20) и В7-40 (19). Визуализация пылевой структуры осуществляется полупроводниковым лазером DTL-316 (4), формирующим "лазерный нож" (5), в рассеянном свете которого возможно наблюдение исследуемого объекта. Управление работой лазера (режимы включения/выключения накачки, изменения выходной мощности) осуществляются экспериментатором с управляющего комплекса (11).  Рассеянный на частицах свет регистрируется камерой (7) и отображается на экране монитора (11). Получаемое с видеокамеры изображение может быть сохранено как в виде отдельных графических файлов, так и в виде видеоряда (видеофильма). Для изучения спектральных характеристик источника излучения используется оптическая система (8), состоящая из системы зеркал типа “перископа” и фокусирующей линзы, формирующей изображение на входной щели спектрометра ДФС-452 (9). За выходной щелью спектрометра установлен фотоэлектронный преобразователь на ПЗС структурах в матричном исполнении (1024*256 элементов) CCD EEV 10-30 (10), регистрирующий спектральное излучение исследуемой области плазмы и передающий данные в память персонального компьютера для их представления, хранения и обработки в специализированной программной среде. На схеме установки не отображен вакуумный модуль для исключения излишнего усложнения восприятия рисунка. Вакуумная система предназначена для откачки рабочего объема установки с установленным в него исследовательским оборудованием.

1.2 Измеряемые величины  и используемые приборы

В эксперименте измеряются следующие величины:

1. Значение тока в плазменной среде газового разряда и величина напряжения на разрядном промежутке. Для измерений используется плата PCI-1802L. Основные технические характеристики:
• Число каналов: 32 потенциальных или 16 дифференциальных (программно устанавливаются)
• Диапазоны измерения входных сигналов: от +/- 0.625В до +/- 10В;
• Два независимых ЦАП (12бит);
• 32 TTL-совместимых входа/выхода;
• Максимальная скорость преобразования 300КСлов/с;
• Размер буфера FIFO: 2КСлова (дополнительно: 8КСлов);
• Максимальная скорость опроса: 330КГц;
• Точность: 0.01% от считываемого +/- 1 бит младшего разряда;
• Входной импеданс: 10МОм, 6пФ
2. Измерение длины волны производилось исходя из положения лимба спектрометра ДФС-452. Соответствие показаний  лимба истинной длине волны определялось по эталонному источнику спектра. Градуировка спектрального прибора по длинам волн осуществлялась с помощью источников спектрального излучения, таких как натриевый шарик (λ=589 нм, 589.6 нм) и неоновая лампа с полым катодом. Основные технические данные ДФС-452:
• Спектральный диапазон: 190-1100 нм;
• Дифракционная решетка: 1200 штр/мм;
• Относительное отверстие зеркального объектива: 1:20
• Обратная линейная дисперсия с решеткой 1200 штр/мм в первом порядке: 0.8-0.63 нм/мм;
• Цена деления шкалы барабанчика открытия входной щели: 0.001 мм.
3. Для регистрации яркости поверхности страты вдоль оси разрядной трубки применяется цифровое регистрирующее устройство фотоприемник CCD EEV 10-30 на основе ПЗС-структур. Указанное устройство имеет паспорт аттестации. Основные параметры устройства:
• Число регистрирующих элементов: 1024*256 пикселей;
• Размер элемента (пикселя): 26 мкм2;
• Динамический диапазон: 65536:1;
• Дискретность измерения: 16 мкс;
• Диапазон спектральной чувствительности: 180-1100 нм;
• Спектральное разрешение при использовании ДФС-452 и решетки 1200 штр/мм: 0.02 нм/пиксель;
• Темновой ток при 0оС: 11 электронов/пиксель/сек, – 20оС: 0.5 электронов/пиксель/сек;
• Минимальная температура охлаждения регистрирующего элемента при воздушном охлаждении: –20оС; при водяном: –55оС.
4. Изображение пылевой плазменной структуры (фотография или видеофильм).

 

 

 

 

Вольтметр В7-27:

• Измерение постоянного напряжения

Предел	Класс точности
100 мВ	0,15/0,35
1, 10, 100, 1000 В	0,15/0,25

• Измерение среднего квадратического значения напряжения синусоидальной формы

Диапазон частот	Класс точности
20-100 КГц (предел 1 мВ)	1/2
20-400 Гц, 10-100 КГц (10 мВ)	0,5/1,5
20 Гц – 100 КГц (100 мВ, 1, 10, 100, 1000 В)	0,5/1

• Измерение силы постоянного тока

Предел	Класс точности
1, 10, 100 мкА; 1, 10, 100 мА	0,2/0,4

• Измерение среднего квадратического значения силы переменного тока (пределы: 20 мкА, 2, 20, 200, 2000 мА)

Диапазон частот	Класс точности
40 Гц – 10 КГц	0,1/1
10-20 КГц (кроме 2000 мА)	0,1/2

• Измерение электрического сопротивления

Предел	Класс точности
1, 10 Ом; 10 Мом	0,2/0,5
100 Ом, 1, 10, 100 кОм; 1 МОм	0,2/0,4

 

Вольтметр В7-40:

• Измерение постоянного напряжения

Предел	Класс точности
200 мВ, 2 В	0,02/0,05
20, 200, 2000 В	0,02/0,1