Если ионы движутся в полой трубе, то места регистрации они достигают в порядке увеличения своей массы. Анализатор такого типа крайне прост и дешев, а его диапазон масс практически не лимитирован. Однако широкому использованию времяпролетных приборов мешала низкая разрешающая способность и невозможность их применения с непрерывными методами ионизации. Время достижения ионом детектора можно рассчитать по формуле

.

Для разности потенциалов 3 кВ и длины трубы дрейфа 0,5 м ион с m/z 500 достигает детектора за 15 мкс, а ион с m/z 50 --за 4,6 мкс, т.е. масс-спектр в диапазоне от 50 до 500 Да можно зарегистрировать за время около 10 мкс Понятно, что время можно увеличивать, уменьшая разность потенциалов или увеличивая длину дрейфа. Основные проблемы времяпролетных приборов -- это разброс ионов с одной массой по времени, по скорости (энергии) и в пространстве. Ионы, образовавшиеся в источнике, ускоряются разностью потенциалов между стенкой источника и сеткой по направлению к детектору. В области дрейфа происходит разделение ионов по скоростям (следовательно, по массам). Детектор регистрирует интенсивность пучков ионов. В результате генерируется масс-спектр. Следует отметить, что на детектор поступают все ионы, что существенно улучшает чувствительность метода по сравнению со сканирующими анализаторами, в которых детектора достигает фактически менее одного процента ионов.

Разброс по энергиям связан с тем, что ионы уже изначально (до ускорения) имеют различную кинетическую энергию . В результате полная энергия движения ионов в области дрейфа будет (eV+ ).

Пространственный разброс связан с тем, что ионы в источнике находятся не на одной линии, а занимают конкретный объем. Часть их оказывается ближе к сетке, часть -- дальше. Если обозначить это отклонение в пространстве от среднего значения , и, учитывая, что получается, что энергия ионов в области дрейфа равна eE(s ± ). Таким образом, происходит уширение сигнала и, соответственно, потеря разрешающей способности.

Схема времяпролетного масс-спектрометра с рефлектроном представлена на рис. 9. Из группы ионов с одной массой частицы с большей кинетической энергией проникают глубже внутрь отражающего поля рефлектрона, тем самым затрачивая больше времени на замедление и последующее ускорение. Первыми достигая ионного зеркала, они последними покидают его и догоняют более медленные ионы в фокальной плоскости, в которой располагается детектор. Такой принцип позволил проводить корректировку разброса по энергиям и повысить разрешающую способность времяпролетных приборов до 10000.



2. Разработка метода расчёта, расчёт и конструирование

2.1 Выбор энергоанализатора, оптимального для выполнения задач

При выборе метода получения энергетического спектра электронных потоков, были учтены особенности задач, поставленных передо мной: разработка системы с возможностью параллельной регистрации сигнала предполагает такие требования к энергоанализатору как широкий диапазон разрешаемых энергий и линейность спектра. Основными критериями оптимального вида спектрометра являются: эргономические (удобство и безопасность работы на спектрометрической установке) и технологические (возможность создания конструкции, пригодной для использования в качестве приставки к электронному микроскопу). Электростатические спектрометры обладают рядом существенных недостатков:

- необходимая регулировка и стабилизация высокого напряжения представляет трудности в части разработки источников питания, т.е. наша спектрометрическая система должна будет укомплектована источником высокого напряжения (высоковольтным баком), что повышает стоимость системы;

- работа с высоким напряжением делает необходимым использование надёжных изоляторов, что существенно усложняет конструкцию; высокое напряжение опасно для оператора, т.к. во время работы он будет находиться в непосредственной близости от электродов электростатического энергоанализатора;

- метод тормозящего потенциала, помимо перечисленных недостатков, вносит искажения в спектр, т.к. торможение происходит только по одной составляющей скорости.

Все указанные особенности делают электростатический метод спектроскопии неприемлемым для использования в качестве инструмента изучения спектров характеристических потерь энергии электронами.

Применение неоднородного поперечного магнитного поля позволяет получить качество фокусировки пучков со значительной угловой расходимостью и, при определённой конфигурации, обеспечивают пространственную фокусировку. Магнитное неоднородное поле, изменяющееся по определённому закону, обладает большими дисперсионными способностями чем однородное, но практическое осуществление секторного неоднородного поля представляет собой достаточно сложную задачу. Поэтому обычно на практике применяют однородное секторное поле, используя дополнительную вертикальную фокусировку за счет краевого эффекта.

Соотношение величины ускоряющего напряжения (20 кэВ) и ширина информативной энергетической области (100 эВ) требует максимально возможной дисперсии при заданных геометрических размерах, поэтому мной выбрана для расчёта и конструирования призма с однородным магнитным полем с поворотом на 180°.



2.2 Геометрическая модель движения частиц в однородном магнитном поле

Теперь, когда я выбрал вид спектрометра, моя основная задача -- обеспечить высокое разрешение по энергии, как важнейший параметр магнитной призмы. Я уделяю особое внимание разрешению потому, что дисперсию можно увеличить с помощью электронных линз, установленных на выходе из спектрометра; разрешение же определяется только самой призмой. Я рассмотрел модель однородного поля для того, чтобы траекторным методом оценить степень влияния аберраций этого поля на разрешающую способность.

Для увеличения разрешающей силы необходимо увеличивать собственную дисперсию и уменьшать ширину линии изображения. Дисперсия пропорциональна геометрическим размерам анализирующего поля, но увеличение её за счёт геометрии возможно лишь до определённого предела. В нашем случае мы ограничены конструкцией конкретной модели микроскопа. Максимальный радиус поворота, обусловленный этими начальными данными, составляет от 0,2 до 0,5 метра. Ширина линии изображения обусловлена качеством фокусировки.

Рассмотрим фокусировку потока электронов поперечным магнитным полем. Для простоты пренебрежём краевыми эффектами: во-первых, будем считать поле строго поперечным в любой точке траектории электрона; во-вторых, не будем учитывать "размытие" поля на границах области.

Очевидно, что в случае идеальных границ однородного поперечного поля, пространственная фокусировка может быть осуществлена за счёт особой формы границ. Фокусироваться частицы будут только в одном направлении. Простота траекторий, описываемых электронами в этом случае, позволяет свести электронно-оптическую задачу к геометрической: траектории будут представлять собой дуги окружностей и отрезки прямых.

Проиллюстрировать эту задачу построения фокусирующих границ можно с помощью следующей физической модели:

На рисунке изображён диск, подвешенный на растяжимой нити. Места крепления нити -- источник электронов и точка, куда необходимо их транспортировать. Амплитуда раскачивания диска -- радиус пучка на входе. Радиус диска -- радиус поворота электронов в магнитном поле. Точка касания нитью диска -- искомая координата входа электрона в поле.

Следует отметить, что задача будет решаемой только в том случае, когда геометрия одной из границ определена. Для начала, примем выходную границу отрезком прямой, совпадающей с осью абсцисс.

Начальными данными для нахождения формы входной границы являются:

- координаты точек подвеса;

- радиус диска;

- форма выходной границы.

Составим систему уравнений и её решение.



2.3 Оптимальные параметры призмы в приближении однородного поля

Используя полученную мною систему, я описал движение электронного пучка. Теперь мне известна конфигурация входной границы для фокусировки электронов вышедших из образца и разогнанных сеткой. Моя задача состояла в том чтобы изменяя параметры призмы, добиться хорошей фокусировки, в диапазоне энергий от 0 до 100 эв, для того чтобы оценивать разрешающую способность я буду с помощью моделирования действия призмы на электронный пучок.

В дальнейшем электронный пучок вторичных электронов будем называть тестовым.

Параметры для оптимизации следующие:

- выходной рабочий отрезок.

- радиус поворота.

- форма выходной границы.

- энергия идеальной фокусировки.

Произведенные расчеты оптимизации выполнены в среде mathcad приведены ниже.

Следует отметить некоторые закономерности выявленные в процессе оптимизации:

-Исходной длиной выходного рабочего отрезка L я принял расстояние от фокусной плоскости объективной линзы(или точки электронного удара в образец) до входного фланца в детектор.

- В начальном варианте я предлагал выходную границу поля прямой, совпадающий с осью абсцисс. Оценка проведенная мною с помощью выше приведенной программы, показала что при удалении по энергетической шкале от энергии идеальной фокусировки(в сторону увеличения) разрешающая способность резко падает при удалении на 200 эВ разрешаемое энергетическое расстояние между тестовыми пиками увеличивается.

Так как мне поставлена задача обеспечить разрешаемое энергетическое расстояние не менее 3 эВ в диапазоне от 0 до 100 эВ. Принято решение изменить конфигурацию выходной границы, как важнейшего параметра фокусировки в широких диапазонах энергий.

Теперь мы знаем геометрическую форму границы для идеальной фокусировки частиц, вылетевших из образца, Теперь необходимо оценить вклад аберраций.

Посмотрим, как отобразится на выходе пучок такого спектрального состава

Зависимости разрешаемой энергетической ширины спектра от средней энергии спектра.



Зависимость разрешаемой энергетической ширины спектра от средней энергии спектра при различных радиусах кривизны выходной границы.

В итоге работы по оптимизации мной были выбраны следующие параметры призмы:

- Радиус центрального луча при энергии электрона 0...100 эВ 150 мм.

- Индукция поля в зазоре изменяется в диапазоне 0..0.0034 Тл. Для обеспечения максимальных значений индукции при ширине зазора 40 мм соотношение количества витков катушек и тока, протекающего по ним:



2.4 Учёт граничных эффектов

Произведённые расчёт и оптимизацию необходимо скорректировать с помощью учёта искажений, вносимых локальными краевыми участками поля. Оценивать электронно-оптические свойства краевых областей мы будем с помощью метода -вариаций. Для этого необходимо описать распределение магнитного потенциала вдоль кромок полюсных наконечников. Локализация неоднородной краевой области магнитного поля осуществляется с помощью магнитных шунтов.

Координата, мм	Индукция без шунта, Тл	Индукция с шунтом, Тл
-12	0,0226	0,0224
-10	0,0225	0,0224
-8	0,0226	0,0222
-6	0,0215	0,0212
-4	0,0205	0,2045
-2	0,0181	0,018
0	0,0251	0,0144
2	0,0123	0,0105
4	0,0099	0,0069
6	0,0079	0,0038
8	0,0063	0,0017
10	0,00515	0,0007
12	0,00405	0,0004
14	0,0033	0
16	0,0027
18	0,0022
20	0,00185
22	0,00155
24	0,001

Аппроксимируя численно найденную конфигурацию входной границы аналитической формой, опишем математически распределение магнитного потенциала вдоль кромок входной границы, используя уравнение Лапласа:



На рисунке представлена аппроксимация численного решения аналитической формы, В - магнитная индукция, - координата отложенная вдоль радиуса кривизны, - векторный потенциал магнитного поля.



Дисперсия

		Х, мкм		Энергетическое разрешение
0	-0,02	-0,54	0,58	0,23
	0	0
	0,02	-0,58
-50	-0,02	-63,0969	0,65	0,26
	0	-63,0921
	0,02	-63,0986
+50	-0,02	61,9141	0,48	0,19
	0	61,9101
	0,02	61,9149

Расчет краевого эффекта

,



,

Красная линия - распределение магнитного поля

Синяя - подгоночная формула

		Х, мкм		Энергетическое разрешение
0	-0,02	0,5994	0,248	1
	0	0,6242
	0,02	0,6287
-50	-0,02	-62,4880	0,283	1,13
	0	-62,4636
	0,02	-62,4597
+50	-0,02	62,5150	0,302	1,2
	0	62,5401
	0,02	62,5452

Аберрация первого порядка может быть устранена смещением плоскости детектора на .(Расчеты выполнены с помощью программы расчета двумерных полей MICE)



3. Организационно-экономическая часть

3.1 Организационно-экономическая часть

Технико-экономическое обоснование постановки задачи

Целью дипломного проекта является разработка устройства для детектирования и селектирования вторичных электронов под действием электронного удара, принципиально задуманное устройство не отличается от обычного датчика вторичных электронов Эверхарта-Торнли за исключением одного узла встроенного в проектируемый детектор, который будет выполнять разделение электронов по энергиям по средством магнитного поля, плюс детектор будет иметь ряд устройств таких как ПЗС - матрица, которая будет использоваться как готовое изделие и не потребует никаких глубоких расчетов, экономически выгода такого устройства состоит в том предлагаемый мною детектор будет давать более детальную информацию, а так же изготовленный на площадках ФГУП НПО «Орион» будет являться менее дорогостоящим в отличии от детекторов такого типа имеющихся в арсенале ведущих фирм в области электронной микроскопии JEOL(Япония), KARL ZEISS(Германия), TESCAN(Чехия), NION COMPANY(США), FEI COMPANY(США).

Широкое применение электронных и ионных потоков в различных областях науки и техники явилось причиной развития энергетической спектроскопии. Несмотря на то, что в последние годы спектрометрическая техника пополнилась большим количеством новых времяпролётных, радиочастотных и других спектрометров без громоздких магнитных отклоняющих систем, параметры этих новых моделей во всех случаях не достигают уровня классических спектрометров с магнитным поперечным полем. Рассмотрим вкратце физические принципы работы магнитного спектрометра: Известно, что заряженная частица, влетевшая в магнитное поле с поперечной составляющей, испытывает на себе действие силы Лоренца, которая перпендикулярна направлению движения частицы. Частица в таком поле движется по окружности с радиусом. Частицы с разной энергией и зарядами имеют различные траектории. Теперь мы имеем возможность изучать состав газов и разделять, ионизируя их; получать спектр электронов, претерпевших различные взаимодействия и несущих полезную информацию. В состав спектрометра входит не только поворотный секторный магнит: необходимо программное обеспечение, сцинтиллятор и ПЗС - матрица, генератор пилообразного напряжения, аппаратура синхронизации, но вопрос проектирования предполагает в основном разработку секторного магнита, т.к. именно он определяет разрешение спектрометра (основной показатель качества).

3.2 План проведения НИР

№	Наименование этапов и содержание работ	Исполнитель	Трудоемкость	Время цикла
			Нормо-часы	% от общей трудоемкости
1 этап	1.1	Составление календарного графика работ	Рук. группы Ст. инженер	16	0,5	1 день
	1.2	Подбор и изучение литературы по теме	Рук. группы Ст. инженер Инженер	288	6	12 дней
	1.3	Ознакомление со смежными и близкими по теме работами	Рук. группы 2 инженера	160	3	10 дня
2 этап	2.1	Изучение темы в лабораторных условиях, эскизирование	Ст.инженер 2инженера Техник лаборант	160	3	4 дня
	2.2	Разработка структурной и принципиальной схемы	Рук. группы Ст. инженер 2 инженера	480	10	15 дней
	2.3	Осуществление всех необходимых технических расчетов	Ст. инженер 2 инженера	960	19	40 дней
	2.4	Разработка чертежей общего вида	Рук. группы Ст. инженер техник	480	10	15 дней
3 этап	Проектирование макетов	2 инженера Лаборант Техник	320	6	10 дней
4 этап	Изготовление макетов	Техник Инженер Лаборант Токарь Фрезеровщик Термист Слесарь Радиомонтажник Намотчик	1800	36	25 дней
5 этап	Внесение корректив в разработки и исследования	Рук. группы Ст. инженер	240	5,5	15 дней
6 этап	Выводы, предложения по теме	Рук. группы Ст. инженер	112	2	7 дней
ИТОГО	154

Организационная структура

Расчет длительности цикла.



Где Т- трудоемкость этапа,

q - количество исполнителей,

8 - продолжительность рабочего дня,

к - коэффициент выполнения норм времени (к=1,1)

План - график выполнения НИР

При составлении графика проведения работ по теме НИР необходимо стремиться к тому, чтобы работы выполнялись параллельно и параллельно-последовательно. Чем больше параллельность, тем короче длительность цикла осуществления темы НИР.

3.3 Смета затрат на разработку

1) Материалы, покупные изделия, спецоборудование

Наименование	единицы	Цена (руб)	Расход (приблизительно)	Стоимость
Программное обеспечение		6000	2 инженерные программы	12000
Канцелярские принадлежности				300
ПЗС- матрица	шт	500…900	5	4000
Осциллограф	шт	10000	1	10000
Генератор развертки	шт	8000	1	8000
Анализатор импульсов	шт	40000	1	40000
Пермаллой ГОСТ 10160-70	кг	150	100	15000
Латунь антимагнитная Л63 ГОСТ 2060-13	кг	24	1	24
Сталь нержавеющая	кг	28	10	280
Провод ПЭВ-2-051 ГОСТ 7262	м	42	5	210
Труба медная	м	21	0,5	10,5
Провод МГТФ 0,2, ТУ16505-185-11	м	3	20	60
Конденсаторы	шт	1…2	50	100
Транзисторы	шт	10	20	200
Микросхемы	шт	10	5	50
Резисторы	шт	0,5	300	150
Транспортно заготовительные работы	11%			10000
ИТОГО	100500

2) Основная заработная плата ИТР и рабочих

Должность	Трудоёмкость	Оклад	Зарплата
Рук. Группы	75	7000	300000
Ст. инженер	119	5000	300000
Техник	39	2500	4900
Инженер	100	4000	20000
Инженер	121	4000	20000
Лаборант	39	1000	2000
ИТОГО	110900
Токарь	56	250	14000
Фрезеровщик	80	250	20000
Термист	32	250	8000
Слесарь	112	300	33600
Радиомонтажник	80	200	16000
Намотчик	24	200	4800
ИТОГО	96400

Общая заработная плата производственного персонала 207300 руб.

3) Амортизационные отчисления на исполняемое оборудование.

Тариф установленный на амортизацию, на НПО «Орион» составляет 1,5% от стоимости оборудования в месяц.



Оборудование	Срок использования (мес)	Цена (руб)	Отчисления (руб)
Компьютеры (2 шт)	5	20000	3000
Принтер	0,5	6000	45
Токарный станок	0,3	60000	270
Фрезерный станок	0,5	60000	450
Термоагрегат	0,2	40000	120
Намоточный станок	0,2	30000	90
Радиомонтажная установка	0,5	5000	40
ИТОГО	4000

4) Дополнительная заработная плата ИТР и рабочих.

Дополнительная заработная плата определяется поформуле

ДЗП=0,1*ОЗП=0,1*207300=20730 руб.

5) Страховые взносы

ЕСН=0,356(ОЗП+ДЗП)=0,356(207300+20730)=81.179

6) Затраты на электроэнергию.

Стоимость потреблённой электроэнергии определяется по формуле.

Где Ц_эл - стоимость 1кВт/час энергии (0,84руб+20%НДС=1,01 руб)



Наименование	Мощность Р(кВт)	Фонд времени Фд(час)	КПД n	Загрузка по времени дв	Загрузка по мощности дч	Занятость м	Стоимость Э(руб)
Токарный станок	30	25	0.3	0.8	0.5	0.3	303
Фрезерный станок	50	250	0.2	0.5	0.2	0.5	2104
ИТОГО	2407

Мы учли только самые большие энергозатраты, так как остальные вносят незначительный вклад.

7) Накладные расходы.

Ставка на 2011 г - 161% от заработной платы рабочих

1,64*96400 руб. = 155204

Подведём итоги расчетов: на НИР будет потрачено 571400 руб.

3.4 Оценка экономической целесообразности

Как уже было сказано ранее, наша промышленность не выпускает приборы для энергетической электронной спектрометрии, предлагаемый прибор по своим показателям схож со спектрометрами - излучения, и ранее не разрабатывался для задач электронной микроскопии ни в нашей стране ни за рубежом. Поэтому внедрение этой разработки в производство необходимо само по себе. Основной задачей при проектировании детектора является повышение энергетической разрешающей способности прибора. Максимальное «разведение» в пространстве электронных пучков с разными энергиями достигается при повороте на определенный угол, следовательно, задавшись целью спроектировать отклоняющий магнит, мы используем возможности детектора по максимуму в итоге имеем гарантированное преимущество. Учет рисков и поиск путей их минимизации

Учет рисков которые могут возникнуть при выполнении проекта и пути их минимизации представлю в виде таблицы.

Перечень рисков	Критичность	Вероятность	Последствия	План действий
Невыполнение работ в срок	Высокая	Средняя	Результаты, полученные в рамках исполнения этапа проекта, окажутся невостребованными и, как факт, неоплаченными.	1. Внеплановая работа в выходные. 2. Привлечение к данной работе дополнительных специалистов. 3. Постоянный мониторинг удовлетворенности Заказчика и членов рабочей группы промежуточными результатами.
Появление дополнительных функциональных расширений	Высокая	Средняя	Доработка выходящая за рамки проектирования. Результаты, полученные в рамках исполнения проекта, окажутся невостребованными и, как факт, неоплаченными.	1. Привлечение представителей Заказчика к данной работе на уровне постановки и согласования дополнительных функциональных изменений. 2. Организация дополнительных рабочих встреч по проекту
Простои в работе группы проекта из- за поломки оборудования, или аварийных ситуаций.	Высокая	Низкая	Невыполнение в срок. Результаты, полученные в рамках исполнения проекта, окажутся невостребованными и, как факт, неоплаченными. Дополнительные затраты не включенные в контракт по замене дорогостоящего оборудования.	1. Своевременная проверка исправности всех узлов используемого оборудования и замена частей. 2. Внеплановая работа в выходные по ликвидации неисправностей.
Изменение требований заказчика	Средняя	Низкая	Переработка уже сделанной работы. Полученные результаты окажутся невостребованными и скорее всего неоплаченными.	1. Урегулирование всех возникших экономических вопросов с заказчиком. 2. Постоянный мониторинг удовлетворенности Заказчика и членов рабочей группы промежуточными результатами.
Простои в работе команды из-за болезни исполнителя на каком-либо этапе	Высокая	Низкая	Невыполнение в срок. Дополнительные расходы не учтенные договором.	1. Привлечение к данной работе дополнительных специалистов. 2. Внеплановая работа в выходные.
Увеличение цены на используемые в работе материалы	Низкая	Средняя	Дополнительные затраты предприятия не входящие в планы заказчика и, как следствие, неоплаченные.	1. Своевременное приобретение расходных материалов сразу после согласования работ с заказчиком. 2. Постоянны мониторинг и своевременное решение с заказчиком возникших экономических вопросов в процессе выполнения работ.
Несоответствующий уровень технологической оснащенности предприятия для выполнения задачи	Высокая	Низкая	Невыполнение в срок или невозможность выполнения задания вообще.	1. Объективная оценка технологических возможностей предприятия на ранних этапах заключения договора с заказчиком. 2. Своевременное доведение оснащенности предприятия до соответствующего уровня, который позволит выполнить задачу.
Неспособность реализации проекта в рамках заданного бюджета	Высокая	Средняя	Остановка или полное прекращение работ. Дополнительные расходы.	1. Привлечение квалифицированных внешних консультантов и партнеров. 2. Постоянная подготовка персонала в области управления проектами.
Получение продукта с характеристиками хуже тех, что оговорены в договоре с заказчиком	Высокая	Средняя	Невыполнение в срок. Результаты, полученные в рамках исполнения проекта, окажутся невостребованными и, как факт, неоплаченными. Переработка или доработка проекта.	1. Постоянный мониторинг результатов на каждом этапе и своевременное устранение выявленных несоответствий. 2. Объективная оценка технологических возможностей предприятия.

В процессе работы над проектом может возникнуть ряд дополнительных (неучтенных в данной таблице) рисков. Важнейшим условием для минимизации или исключения рисков является постоянный их мониторинг (или вызванных ими проблем) на основании регулярных докладов о состоянии и ходе проекта. А также разработка комплекса мероприятий, направленных на снижение влияния рисков, которые имеют значимость выше определенного порога.

Вывод:

В данном разделе были рассмотрены организация и планирование работ по разработке детектора вторичных электронов селекцией по энергиям.

Стоимость разработки рассчитана постатейно. На основе проведенного в экономической части исследования можно сделать вывод, что стоимость разработки приемлема для такого вида аналитического оборудования, при условии что ранее другими разработчиками не предпринималось шагов к созданию такого детектора.

Также были определены специалисты, требуемые для разработки документации и проведения испытаний, разработан график работ. Рассчитаны виды затрат, определена цена разработки.

Полная стоимость разработки составила 571400 руб.



4. Экология и охрана труда

4.1 Определение оптимальных условий труда инженера-разработчика

Рабочее место - это часть пространства, в котором инженер осуществляет трудовую деятельность, и проводит большую часть рабочего времени. Рабочее место, хорошо приспособленное к трудовой деятельности инженера, правильно и целесообразно организованное, в отношении пространства, формы, размера обеспечивает ему удобное положение при работе и высокую производительность труда при наименьшем физическом и психическом напряжении.

При правильной организации рабочего места производительность труда инженера возрастает с 8 до 20 процентов.

Проектирование рабочих мест, снабженных видеотерминалами, относится к числу важнейших проблем эргономического проектирования в области вычислительной техники.

Рабочее место и взаимное расположение всех его элементов должно соответствовать антропометрическим, физическим и психологическим требованиям. Большое значение имеет также характер работы. В частности, при организации рабочего места разработчика должны быть соблюдены следующие основные условия:

*оптимальное размещение оборудования, входящего в состав рабочего места;

*достаточное рабочее пространство, позволяющее осуществлять все необходимые движения и перемещения;

*необходимо естественное и искусственное освещение для выполнения поставленных задач;

*уровень акустического шума не должен превышать допустимого значения.

*достаточная вентиляция рабочего места;

Эргономическими аспектами проектирования видеотерминальных рабочих мест, в частности, являются: высота рабочей поверхности, размеры пространства для ног, требования к расположению документов на рабочем месте (наличие и размеры подставки для документов, возможность различного размещения документов, расстояние от глаз пользователя до экрана, документа, клавиатуры и т.д.), характеристики рабочего кресла, требования к поверхности рабочего стола, регулируемость рабочего места и его элементов.

Главными элементами рабочего места разработчика являются письменный стол и кресло. Основным рабочим положением является положение сидя.

Рабочая поза сидя вызывает минимальное утомление разработчика. Рациональная планировка рабочего места предусматривает четкий порядок и постоянство размещения предметов, средств труда и документации. То, что требуется для выполнения работ чаще, расположено в зоне легкой досягаемости рабочего пространства.

4.2 Оптимальное рабочее место

Моторное поле - пространство рабочего места, в котором могут осуществляться двигательные действия человека.

Максимальная зона досягаемости рук - это часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми максимально вытянутыми руками при движении их в плечевом суставе.

Оптимальная зона - часть моторного поля рабочего места, ограниченного дугами, описываемыми предплечьями при движении в локтевых суставах с опорой в точке локтя и с относительно неподвижным плечом.



Рис.4.1 Зоны досягаемости рук в горизонтальной плоскости

а - зона максимальной досягаемости;

б - зона досягаемости пальцев при вытянутой руке;

в - зона легкой досягаемости ладони;

г - оптимальное пространство для грубой ручной работы;

д - оптимальное пространство для тонкой ручной работы.

Рассмотрим оптимальное размещение предметов труда и документации в зонах досягаемости рук: ДИСПЛЕЙ размещается в зоне а (в центре); КЛАВИАТУРА - в зоне г/д;

СИСТЕМНЫЙ БЛОК размещается в зоне б (слева); ПРИНТЕР находится в зоне а (справа); ДОКУМЕНТАЦИЯ

в зоне легкой досягаемости ладони - в (слева) - литература и документация, необходимая при работе;

в выдвижных ящиках стола - литература, неиспользуемая постоянно.

При проектировании письменного стола следует учитывать следующее:

- высота стола должна быть выбрана с учетом возможности сидеть свободно, в удобной позе, при необходимости опираясь на подлокотники;

- нижняя часть стола должна быть сконструирована так, чтобы инженер мог удобно сидеть, не был вынужден поджимать ноги;

- поверхность стола должна обладать свойствами, исключающими появление бликов в поле зрения разработчика;

- конструкция стола должна предусматривать наличие выдвижных ящиков (не менее 3 для хранения документации, листингов, канцелярских принадлежностей, личных вещей).

Высота рабочей поверхности рекомендуется в пределах 680-760 мм. Высота рабочей поверхности, на которую устанавливается клавиатура, должна быть 650 мм. Большое значение придается характеристикам рабочего кресла. Так, рекомендуется высота сиденья над уровнем пола должна быть в пределах 420-550 мм. Поверхность сиденья рекомендуется делать мягкой, передний край закругленным, а угол наклона спинки рабочего кресла - регулируемым.

Необходимо предусматривать при проектировании возможность различного размещения документов: сбоку от видеотерминала, между монитором и клавиатурой и т.п. Кроме того, в случаях, когда видеотерминал имеет низкое качество изображения, например заметны мелькания, расстояние от глаз до экрана делают больше (около 700 мм), чем расстояние от глаза до документа (300-450 мм). Вообще при высоком качестве изображения на видеотерминале расстояние от глаз пользователя до экрана, документа и клавиатуры может быть равным. Положение экрана определяется:

расстоянием считывания (0,60 + 0,10 м);

углом считывания, направлением взгляда на 20 ниже горизонтали к центру экрана, причем экран перпендикулярен этому направлению. Должна предусматриваться возможность регулирования экрана:

- по высоте +3 см;

- по наклону от 10 до 20 относительно вертикали; в левом и правом направлениях.

Зрительный комфорт подчиняется двум основным требованиям: четкости на экране, клавиатуре и в документах;

- освещенности и равномерности яркости между окружающими

- условиями и различными участками рабочего места;

Большое значение также придается правильной рабочей позе пользователя. При неудобной рабочей позе могут появиться боли в мышцах, суставах и сухожилиях. Требования к рабочей позе пользователя видеотерминала следующие: шея не должна быть наклонена более чем на 20° (между осью "голова-шея" и осью туловища), плечи должны быть расслаблены, локти - находиться под углом 80° - 100°, а предплечья и кисти рук - в горизонтальном положении. Причина неправильной позы пользователей обусловлена следующими факторами: нет хорошей подставки для документов, клавиатура находится слишком высоко, а документы -слишком низко, некуда положить руки и кисти, недостаточно пространство для ног. В целях преодоления указанных недостатков даются общие рекомендации -лучше передвижная клавиатура, чем встроенная; должны быть предусмотрены специальные приспособления для регулирования высоты стола, клавиатуры, документов и экрана, а также подставка для рук. Характеристики используемого рабочего места:

- высота рабочей поверхности стола 750 мм;

- высота пространства для ног 650 мм;

- высота сиденья над уровнем пола 450 мм;

поверхность сиденья мягкая с закругленным передним краем;

- предусмотрена возможность размещения документов справа и слева;

- расстояние от глаза до экрана 700 мм;

- расстояние от глаза до клавиатуры 400 мм;

- расстояние от глаза до документов 500 мм;

- возможно регулирование экрана по высоте, по наклону, в левом и в правом направлениях;

Создание благоприятных условий труда и правильное эстетическое оформление рабочих мест на производстве имеет большое значение как для облегчения труда, так и для повышения его привлекательности, положительно влияющей на производительность труда. Окраска помещений и мебели должна способствовать созданию благоприятных условий для зрительного восприятия, хорошего настроения. В служебных помещениях, в которых выполняется однообразная умственная работа, требующая значительного нервного напряжения и большого сосредоточения, окраска должна быть спокойных тонов - малонасыщенные оттенки холодного зеленого или голубого цветов

При разработке оптимальных условий труда разработчика необходимо учитывать освещенность, шум и микроклимат.

4.3 Расчет комбинированного освещения

Рациональное освещение рабочего места является одним из важнейших факторов, влияющих на эффективность трудовой деятельности человека, предупреждающих травматизм и профессиональные заболевания. Правильно организованное освещение создает благоприятные условия труда, повышает работоспособность и производительность труда. Освещение на рабочем месте разработчика должно быть таким, чтобы работник мог без напряжения зрения выполнять свою работу. Утомляемость органов зрения зависит от ряда причин:

- недостаточность освещенности;

- чрезмерная освещенность;

- неправильное направление света.

Недостаточность освещения приводит к напряжению зрения, ослабляет внимание, приводит к наступлению преждевременной утомленности. Чрезмерно яркое освещение вызывает ослепление, раздражение и резь в глазах. Неправильное направление света на рабочем месте может создавать резкие тени, блики, дезориентировать работающего. Все эти причины могут привести к несчастному случаю или профзаболеваниям, поэтому столь важен правильный расчет освещенности.

Расчет освещенности рабочего места сводится к выбору системы освещения, определению необходимого числа светильников, их типа и размещения. Процесс работы инженера в таких условиях, когда естественное освещение недостаточно или отсутствует. Исходя из этого, рассчитаем параметры искусственного освещения.

Искусственное освещение выполняется посредством электрических источников света двух видов: ламп накаливания и люминесцентных ламп. Будем использовать люминесцентные лампы, которые по сравнению с лампами накаливания имеют существенные преимущества:

- по спектральному составу света они близки к дневному, естественному освещению;

- обладают более высоким КПД (в 1.5-2 раза выше, чем КПД ламп накаливания);

- обладают повышенной светоотдачей (в 3-4 раза выше, чем у ламп накаливания);

- более длительный срок службы.

Расчет освещения производится для комнаты площадью 30 м, ширина которой 6 м, высота -4 м. Воспользуемся методом светового потока.

Для определения количества светильников определим световой поток, падающий на поверхность по формуле:

F - рассчитываемый световой поток, Лм;

Е - нормированная минимальная освещенность, Лк (определяется по таблице). Работу инжнера-программиста, в соответствии с этой таблицей, можно отнести к разряду точных работ, следовательно, минимальная освещенность будет Е = 300 Лк при газоразрядных лампах;

S - площадь освещаемого помещения (в нашем случае S = 30 м);

Z - отношение средней освещенности к минимальной (обычно принимается равным 1.1-1.2, пусть Z = 1.2);

К - коэффициент запаса, учитывающий уменьшение светового потока лампы в результате загрязнения светильников в процессе эксплуатации (его значение определяется по таблице коэффициентов запаса для различных помещений и в нашем случае К = 1.5);

п - коэффициент использования, (выражается отношением светового потока, падающего на расчетную поверхность, к суммарному потоку всех ламп и исчисляется в долях единицы; зависит от характеристик светильника, размеров помещения, окраски стен и потолка, характеризуемых коэффициентами отражения от стен (Рс) и потолка (Рп)), значение коэффициентов Рс и Рп определим по таблице зависимостей коэффициентов отражения от характера поверхности: Рс=30%, Рп=50%. Значение п определим по таблице коэффициентов использования различных светильников. Для этого вычислим индекс помещения по формуле:

Где S - площадь помещения, S = 30 м²;

h - расчетная высота подвеса, h = 4 м;

А - ширина помещения, А = 6 м;

В - длина помещения, В = 5 м.

Подсчитав значения получим=0.7 зная индекс помещения , (коэффициенты отражения света от стен и потолка соответственно), из табличных данных находим коэффициент использования n=0,29, тогда световой поток будет равен ., для освещения выбираем люминесцентные лампы типа ЛБ40-1 световой поток которых .

Где N- определяемое число ламп,

- световой поток,

- световой поток лампы,

Количество ламп для нашего помещения будет равным 13 шт. в данном случае будем использовать светильники типа ЛД. Каждый светильник комплектуется двумя лампами. Размещаются светильники двумя рядами, по 4 в каждом ряду. Разработаем рациональную схему равномерного размещения светильников N в помещении. Светильники с ЛЛ в помещении располагаются рядами - параллельно оконным проемам. Используемые светильники (2x40 Вт) имеют следующие размеры: длина 1,24 м, ширина 0,27.

L - расстояние между соседними светильниками (рядами люминесцентных светильников), La (по длине помещения) возьмем равное нулю и будем устанавливать светильники без разрывов, Lb = 3 м (по ширине помещения), l- расстояние от крайних светильников до стены, 1 = 0,3 - 0,5L.lв = 0,3Lblв = 0,73 м/

4.3.1 Цилиндрическая освещенность

Является характеристика ощущения насыщенности помещения светом и определяется как средняя плотность светового потока на боковой поверхности цилиндра с вертикальной осью, радиус и высота которого стремиться к 0.

Минимальная цилиндрическая освещенность от равномерно размещенных по потолку светильников может быть рассчитана с помощью вспомогательных графиков и индекса помещения:

, ,

4.3.2 Показатель ослепленности

Для определения соответствия ОУ производственного помещения требованиям норм по ограничению ослепленности можно применить инженерный метод

Согласно СНиП П-4-79 показатель ослепленности для данного типа помещения должен быть равным 40. Р = (S - 1) - 1000 = 40

По справочным данным для выбранного светильника определяем тип кривой силы света как тип Д-1 с защитным углом равным 15° (3-я группа светильников)

Отношение расстояния между рядами светильников к высоте их подвеса над рабочей поверхностью в данном помещении составляет 1,7/4=0,43.



По справочным данным применение светильников данной группы допускается при любых значениях , S - коэффициент ослепленности = 1,04.

4.3.3 Коэффициент пульсации системы освещения

Коэффициент пульсации освещенности Кп для разработанной системы общего искусственного освещения для данного разряда работ не должен превышать 15 % согласно СНиП П-4-79. Расположение светильников с лампами ЛБ и схема включения ламп в спроектированной осветительной установке следующие:

- число ламп в светильнике кратно двум;

- половина ламп включается по схеме опережающего тока,

- по схеме отстающего тока.

Спроектированная осветительная установка не превышает нормированного значения коэффициента пульсации Кп=15%.

Блескость отраженная - характеристика отражения светового потока от рабочей поверхности в направлении глаз работающего, определяющая снижение видимости вследствие чрезмерного увеличения яркости рабочей поверхности и вуалирующего действия, снижающего контраст между объектом и фоном. Для устранения отраженной блескости, возникающей на полированной поверхности столешницы, кальке или глянцевой бумаге при конторской или чертежной работе, расположение светильников общего освещения следует выбирать в зависимости от расположения рабочих мест. Поэтому в помещениях таких зданий следует предусматривать локализованное относительно рабочих мест размещение светильников. Светильники размещают таким образом, чтобы отраженная блескость не попадала в поле зрения работающих. В данном случае вероятность возникновения отраженной блескости очень мала.

4.4 Система вентиляции

Системы отопления и системы кондиционирования следует устанавливать так, чтобы ни теплый, ни холодный воздух не направлялся на людей. На производстве рекомендуется создавать динамический климат с определенными перепадами показателей. Температура воздуха у поверхности пола и на уровне головы не должна отличаться более, чем на 5 градусов. В производственных помещениях помимо естественной вентиляции предусматривают приточно-вытяжную вентиляцию. Основным параметром, определяющим характеристики вентиляционной системы, является кратность обмена, т.е. сколько раз в час сменится воздух в помещении. Так как электронный микроскоп не является устройством повышенного тепловыделения, то в помещении не потребуется каких либо динамических средств вытяжки, будет достаточным естественная рециркуляция воздуха в помещении.



4.5 Электробезопасность при проведении эксперимента

Электротравматизм по сравнению с другими видами производственного травматизма составляет небольшой процент, однако по числу травм с тяжелым, и особенно летальным, исходом занимает одно из первых мест. Электрический ток, протекая через тело человека, производит термическое, электролитическое, биологическое, механическое и световое воздействие. Различают два вида поражения организма электрическим током: электрические травмы и электрические удары. Поражения человека электрическим током может произойти при прикосновениях: к токоведущим частям, находящимся под напряжением; отключенным токоведущим частям, на которых остался заряд или появилось напряжение в результате случайного включения; к металлическим нетоковедущим частям электроустановок после перехода на них с токоведущих частей. Кроме того, возможно электропоражение напряжением шага при нахождении человека в зоне растекания тока на землю; электрической дугой в установках с напряжением более 1000 В. Характер и последствия поражения человека электрическим током зависят от ряда факторов, в том числе и от электрического сопротивления тела человека, величины и длительности протекания через него тока, рода и частоты тока, схемы включения человека в электрическую цепь, состояния окружающей среды и индивидуальных особенностей организма. Измерение фотоэлектрических параметров и определение характеристик фотоэлектронных приборов (фотоприемных устройств) относят к работам по управлению электроустановками с напряжением от 36 до 1000 В. Конструкции измерительных установок должны соответствовать «Правилам устройства электроустановок» и «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей», утвержденным Госэнергонадзором. Используемые для испытаний и измерений устройства питаются от сети напряжения 220 В. При эксплуатации оборудования опасность для человека представляют прикосновения к элементам электрооборудования, потенциал которых способен вызвать протекание через тело человека опасных токов. Для защиты человека от поражения электрическим током, от действия электрической дуги и т.п. все электроустановки должны быть снабжены средствами защиты, а так же средствами оказания первой помощи в соответствии с «Правилами применения и испытания средств защиты, используемых в электроустановках». Безопасность лиц, работающих на установке, должна обеспечиваться путем:

- применения надлежащей изоляции, а в отдельных случаях - повышенной;

- применения двойной изоляции;

- соблюдения соответствующих расстояний до токоведущих частей или путем закрытия, ограждения токоведущих частей;

- применения блокировки аппаратов и ограждающих устройств для предотвращения ошибочных операций и доступа к токоведущим частям;

- надежного и быстродействующего автоматического отключения частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением вследствие повреждения изоляции;

- заземления или зануления корпусов электрооборудования и элементов электроустановок, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции;

- выравнивания потенциалов;

- применения разделительных трансформаторов;

- применения устройств, снижающих напряженность электрических полей;

- использования средств защиты и приспособлений, в том числе для защиты от воздействия электрического поля в электроустановках, в которых его напряженность превышает допустимые нормы. В сетях до 1000 В с заземленной нейтралью используется зануление.

Занулением называется намеренное соединение металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением, с многократно заземленным нулевым проводом. Зануление превращает замыкание на корпус в однофазное короткое замыкание, в результате чего срабатывает максимальная токовая защита. Защитное зануление превращает пробой на корпус в короткое замыкание между фазным и нулевым проводами и способствует протеканию тока большой силы через устройства защиты сети, а конечном итоге быстрому отключению поврежденного оборудования от сети. Из приведенной схемы (см. рис.5.1.) видно, что при замыкании на корпус фаза окажется соединенной накоротко с нулевым проводом, благодаря чему через защиту (плавкий предохранитель или автомат) потечет ток короткого замыкания, который и вызовет перегорание предохранителя или отключение автомата. Чтобы защита быстро срабатывала, ток короткого замыкания должен быть достаточно большим. Правила требуют, чтобы ток короткого замыкания был в 3 раза больше номинального тока плавкой вставки предохранителя или расцепителя автоматического отключения. Это требование выполняется, если нулевой провод имеет проводимость не менее 50 % проводимости фазного провода. В качестве нулевых проводов можно использовать стальные полосы, металлические оплетки кабелей, металлоконструкции зданий, подкрановые пути и др.



Выводы:

При работе на РЭМ наиболее опасными факторами является поражение электрическим током и рентгеновское излучение. Имеющиеся в наличии средства защиты обеспечивают снижение воздействия этих факторов до допустимых пределов, потому в дополнительных средствах защиты необходимость отсутствует.



Заключение

В результате проведения работ по дипломному проектированию был разработан алгоритм расчетов секторных магнитов с однородным магнитным полем для анализа энергетических спектров вторичных электронов. Рассчитан магнит с поворотом на 180 градусов.

С помощью программы расчета двумерных полей MICE произведен учет влияния краевых эффектов. Окончательные параметры секторного поворотного магнита, позволяют регистрировать спектр одновременно в диапазоне от 0 до 100 эВ, с разрешающей способностью 1,2 эВ.



Список литературы

1. Электровакуумные приборы и основы их проектирования. А.Г. Гуртовник, У.Г Точинскии, Ф.М. Яблонский. -м.: Энергоатомиздат, 1988. - 424с, ISBN 5-283-00518-6

2. Methods of surface analysis. Potsdam N.Y. ELSWVIER SCIENTIFIC PUBLISHING COMPANY. 1975, 571c

3. Физические методы исследования в химии. Резонансные и электрооптические методы. Учебник для специальных вузов- м:Высш, шк, 1989. -288с, INBN 5-06-00071-0

4. Вайнштейн Б.К. "Электронная микроскопия атомного разрешения" УФН 152 75-122, 1987,120с

5. Г.В. Спивак, Э.И. Рау, А.Ю. Сасов, Цветокодированное отображение информации в растровой электронной микроскопии. 621,385,883. 1983г

6. Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. Л.А. Арцимович, С.Ю. Лукьянов. Учебное пособие. Издание второе исправленное и дополненное. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1978 г.

7. Смладьи. М. Электронная и ионная оптика: Пер с англ. - М.: Мир, 1990, 639с, ISBN 5-03-001634-1

8. В.Б. Леонас: Многоэлектронная эмиссия твердых тел вызванная бомбардировкой ускоренными атомными частицами. Том 161№4, издательство Мир, апрель 1991г, Институт проблем механики, 154с.

9. Кухаркин Е.С. Основы инженерной электрофизики Ч.1. Основы технической электродинамики. Под редакцией П.А. Ионкина. Учебное пособие для студентов вузов. М., №Высшая школа», 1969г 510с.

10. Т. Карлсон Электронная спектроскопия для целей химического анализа. М.. МИР,1973г, том 111.

11. Scanning Electron Microscopy X-Ray Microanalysis. J.I. Goldstein, D.E. Newbury, P. Echlin. Plenum press, New York 1981, Tome 1. 303 page.

12. Scanning Electron Microscopy X-Ray Microanalysis. J.I. Goldstein, D.E. Newbury, P. Echlin. Plenum press, New York 1981, Tome 2. 348 page.

13. High energy beam optics. K.G. Steffen, Interscience publishers, New York - London- Sydney, 1965, 219 pages.

14. В. Глазер. Основы электронной оптики. 1952 Пер с немецкого под редакцией проф В.А. Фабриканта. Государственное издательство технико-теоритической литературы, 763 с.

Размещено на Allbest.ru