CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
纳米聚焦系统高空间分辨控制方法研究
兰旭颖
Subtype博士
Thesis Advisor王劼
2020-06-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword同步辐射 聚焦系统 荧光成像 快速扫描
Abstract同步辐射硬X射线微纳探针技术作为微纳米领域的一种重要测试手段,由于具有纳米级分辨力,被广泛用在材料、生物、化学等研究领域,极大地推动了纳米科技的发展。与此同时,纳米技术的进步,特别是纳米材料、生物学的飞速发展,对纳米聚焦系统的技术研究和功能扩展也提出了较大挑战。这些挑战主要包括两个方面:一是纳米聚焦系统的空间分辨和精度是衡量纳米聚焦系统性能的重要指标;二是纳米聚焦系统的控制技术是确保纳米级快速扫描实验高效和准确的重要条件。本文围绕纳米聚焦系统的关键控制技术,针对常用的控制算法无法有效处理样品扫描台多轴耦合以及系统不确定性的问题,将解耦控制和鲁棒控制应用于扫描台的闭环控制中,以提高多维扫描台控制系统的定位精度和鲁棒性。结合纳米聚焦系统在快速扫描荧光成像实验方面的应用,设计了一种纳米级定位反馈控制与扫描运动控制相结合的扫描技术,并给出了一种硬件同步触发荧光探测系统的方法。在纳米聚焦装置上建立了快速扫描荧光成像实验系统,实现了对纳米聚焦系统的高空间分辨的精密测控,以及高效准确的快速扫描荧光成像实验。论文取得的主要研究成果如下:1.纳米聚焦系统样品扫描台为多变量耦合系统,其内部结构复杂,各部分相互耦合,难以精确建立机理模型,对此,采用多变量阶跃响应方法辨识扫描台三输入-三输出耦合参数模型,将多变量辨识转化为多个等价的单变量辨识,有效解决了复杂耦合系统的建模问题,验证了所建模型能准确描述扫描台的动态特性,具有较高的预报精度。为解决扫描台的耦合问题,分析了扫描台的耦合特性,在扫描台系统中加入了串联补偿解耦控制,使系统能够保留原有主通道的特性,并消除输入输出的交叉影响,实现了将原耦合系统等效成为具有三个独立控制通道的系统。由于扫描台模型结构、参数和运行环境的不确定性会极大影响扫描台纳米级定位精度,将鲁棒控制应用于扫描台闭环控制,保证了扫描台在不确定性作用下的纳米级定位精度和稳定性,增强了扫描台控制系统的鲁棒性。2.为解决控制系统中的电磁干扰影响样品扫描台定位分辨率的问题,分析了控制器输出电信号的时域和频域特性,研制了一种电磁干扰滤波器,设计了差模共模滤波电路,抑制了差模共模干扰,解决了控制器输出差分转单端的问题;设计了低通滤波电路,抑制了电信号中的高频谐波干扰。测试结果表明:滤波器极大降低了控制器输出电信号的时域电磁干扰幅度,有效降低了最小可分辨信号电平,从而减小电磁干扰对扫描台定位分辨率的影响。3.对扫描台驱动控制系统和闭环控制系统的性能进行测试,搭建了扫描台控制系统实验装置,设计了控制系统软件模块,测试结果表明:驱动控制系统在满量程输出范围内的输出电压最大均值误差约为0.03V,电压输出精度不大于±0.08%,驱动控制系统的输出电压曲线与期望电压曲线具有很好的吻合程度;驱动控制系统对满量程40V阶跃响应的上升和下降时间分别约为431.4μs和429.6μs;闭环控制系统作用下,扫描台实现了水平X和Y方向定位分辨率约为2nm,垂直Z方向定位分辨率约为1nm;扫描台任一方向1μm定位运动,稳态误差小于5nm,同时其它方向扰动运动幅值小于6nm;扫描台任一方向10μm定位运动,稳态误差小于6nm,同时其它方向扰动运动幅值小于6nm。证实了所设计的控制方法对实现纳米级空间分辨和纳米级定位运动具有可行性。4.基于所设计的控制系统开展快速扫描荧光成像实验,设计了一种纳米级定位反馈控制与扫描运动控制相结合的扫描技术,使样品在连续扫描的过程中具有纳米级的定位精度,提高了光斑在样品上定位的准确性;给出了一种硬件同步触发荧光探测系统的方法,该方法使得获取荧光计数的样品位置与荧光数据像素点坐标严格一致,增强了荧光成像的准确性。在纳米聚焦装置上开展快速扫描荧光成像实验,获取了标准铜网的元素分布图像,实现了高效准确的纳米聚焦系统快速扫描荧光成像,进一步验证了控制系统的可行性。
Pages129
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32450
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
First Author Affilication中国科学院上海应用物理研究所
Recommended Citation
GB/T 7714
兰旭颖. 纳米聚焦系统高空间分辨控制方法研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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