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⃝软件X 16(2021)100875原始软件出版物模块化LabVIEW在克努森效应质谱仪控制中的应用Jean-Yves ColleRautio,Jouni Rautio,Daniel Freis欧洲联盟委员会,联合研究中心,德国ar t i cl e i nf o文章历史记录:收到2021年收到修订版2021年9月9日接受2021年保留字:克努森效应质谱法软件a b st ra ct克努森效应质谱法是一种重要的研究技术,用于确定在给定温度下不同材料上平衡时的蒸气物种分压。蒸汽压是材料的基本性质之一,对于任何涉及温度的建模都是不可忽略的。世界上许多研究小组都使用克努森效应质谱技术,以确定不同材料的蒸汽压。他们通常自己开发仪器和软件。该框架中的软件本文的目标是提供一个模块化的LabVIEW软件框架的控制和数据采集的克努森效应质谱仪器,可以很容易地适应任何类型的仪器。版权所有©2021作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本V1此代 码 版 本 使 用 的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00114法律代码许可证EUROPEAN UNION PUBLIC LICENCE v. 1.2使用的代码版本控制系统EUPLcthe European Union 2007,2016无软件代码语言采用LabVIEW编译要求,操作环境依赖性Windows 10LabVIEW 2019.0 f2 32位如果可用,链接到开发人员文档/手册技术支持电子邮件jean-yves. ec.europa.eu1. 介绍KEMS(克努森效应质谱法)是一种研究技术,用于确定在给定温度下不同材料平衡时蒸汽物质的蒸汽分压[1]。蒸汽压是物质表面的分子或原子脱离物质的现象。它的表面变成气相。它是温度的连续现象函数。蒸汽压对温度的函数是指数函数。这意味着,在一定温度下,蒸汽压几乎可以忽略不计,然后迅速增加到极端压力,例如在爆炸中。特定物质的平衡蒸气压是该物质的基本性质之它是必要的,因为*通讯作者。电子邮件地址:jean-yves. ec.europa.eu(Jean-Yves Colle)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.100875只要人们必须对材料在其蒸汽压显著的温度下的行为进行建模。典型的应用是在空间应用领域(例如火箭发动机科学、宇宙飞船重返大气层)、核裂变和核聚变、高温工业过程(例如半导体制造)、耐火材料或涉及高温的意外条件。材料样品是在一个封闭的空盒子里测量的压力(in真空),其中放置材料样品。在给定的温度下,材料的分子或原子将开始蒸发。在这种情况下产生的气体将增加盒中的压力,直到达到最大压力。在这种状态下,每个变成气相的分子(或原子)被另一个从气体变成固体或液体的分子或原子平衡。达到这种状态的压力称为平衡时如果气相由不同的2352-7110/©2021作者。 由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softxJean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008752对于化合物,电池中的蒸气压是蒸气中存在的每种单独化合物的分蒸气压每种物质在给定温度下的平衡状态下都有特定的蒸汽压。因此,如果我们能测量这个盒子里的压强,我们就能测量平衡时的蒸汽压测量此箱中样品上可用的蒸汽物质分压的方法之一是努森扩散质谱法。我们用来测量蒸汽压的盒子叫做克努森池。它由惰性材料组成,以避免细胞壁和样品之间的任何相互作用,这将扭曲结果。传统上使用的池具有约Icm3的内部体积,其中放置样品。将装有样品的细胞置于炉内的真空容器中,该真空容器用于设定温度。在努森池的上部钻一个非常小的孔(渗出孔)在实验过程中,有一部分蒸气从小孔中逸出.孔必须非常小,释放的蒸汽量可以忽略不计,不会干扰电池内部的平衡。在分子流条件下(真空中),来自细胞的流量成比例与细胞内平衡时的蒸汽压成正比。该流量由质谱仪测量,并与在相同条件下在已知材料上测量的流量相关,以推导出样品上可用的蒸气物质的分压。请注意,这种比较只可能采用考虑到给定分子的电子截面、电子电离势、原子量和检测器灵敏度。KEMS技术是一种非常专业的测量技术-nique被全球许多不同的研究小组使用[2],仪器设计在很大程度上取决于具体应用(温度范围,研究材料的复杂性,质谱仪的类型)。虽然最近KEMS仪器开始商业化[3,4],但大多数研究小组开发自己的仪器和软件。这一开发需要来自研究小组的大量资源,特别是对于软件,因为研究人员并不总是编程专家。到目前为止,没有关于这两个小组在KEMS软件开发方面进行合作的报告本文所介绍的软件是为该仪器的控制和数据采集而设计的,它采用模块化设计,使用户在保持数据和显示管理的同时,可以实现自己的操作。该软件托管在GSTUUB上,为该领域的合作开辟了道路第二个数据处理软件将在稍后出版。2. 问题和背景KEMS仪器对它的应用是非常具体的。例如,在低于环境温度下测量的非常挥发性的化合物的研究可能需要冷却Knudsen电池相比之下,在超高温下研究耐火材料研究样品上特定的蒸汽相互作用可能需要几个铸造炉。在某些情况下,待分析的蒸气物质可能需要非常高分辨率的质谱仪,例如双聚焦质谱仪,而对于其他情况,简单的四极质谱仪就足够了。所有这些都导致仪器可能采用不同的技术来实现其目标,通常是不同类型的质谱仪,炉,温度测量仪器等,但原理保持不变。通常,仪器的底座由一个高真空室组成,该室装有温度控制装置,其中放置了努森电池分子流来自该室的离子通过孔进入另一个高真空室,其中放置质谱仪的离子源。该仪器传统上可包含以下组件:温度控制装置的简单或PID控制电源它们可以是不同的类型:焦耳效应,电子轰击,热管,激光等。[五]《中国日报》真空生产。真空测量测温(热电偶、电阻温度检测器(RTD)、高温计)。电动旋转窗,用于观察口污染保护。XYZ移动台移动炉体。质谱仪,配备双电子轰击离子源、0 - 1000范围的滤质器(四极或扇形)和单个检测器(法拉第或SEM)。百叶窗,通常在两个腔室之间的界面处实施真空门。用于光学仪器调整或仪器控制的摄像机。• 石英微量天平。• 以及许多其他工具,这取决于需要。由于这些仪器存在许多不同的类型、品牌和接口,以及许多可能的编程语言,因此根据相关研究小组的可用时间和资源,然而,每个KEMS软件都有一个共同的基础:从不同仪器并行和同步或非同步采集数据,通常速度较低(大约每秒)。测量的实时概览。KEMS仪器是通常不完全自动化的研究仪器用户通常总是监视测量结果。完全控制仪器和测量。与前一点一样,用户需要能够完全控制仪器,并在测量过程中决定进一步的步骤。需要包括元数据的连贯数据集。通常在第二步中使用标准数据分析软件进行分析。需要灵活执行新文书。软件需要灵活性,以便轻松适应更换或实施新仪器等需求。本文中报告的LabVIEW应用程序的主要优点是根据前面引用的要点创建软件框架。之所以选择LabVIEW,是因为它的广泛使用和现成的仪器驱动程序的可用性,可能节省大量的开发时间。对于没有特定编程技能的KEMS专家来说,LabVIEW也相对容易接近除了为KEMS仪器提供一般的软件框架外,本软件还将用于装备JRC Karlsruhe的实际现有KEMS(图1)。(1)将作为一个示例案例,实现其特定的仪器功能。3. 软件构架3.1. 一般该软件的目标是收集、保存和显示来自组成KEMS的不同仪器的数据,···············Jean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008753图1.一、K E M S 仪 器 图片与本软件开发的仪器相似。以及对这些工具的控制。每个仪器都由一个独立的并行过程驱动,处理与仪器的连接、数据采集及其控制。此外,该软件还为每个实验提供了一个数据管理框架该软件基于:一个初始化的堆栈序列结构,用于调试软件和设置实验框架。一个中央数据管理回路,由来自仪器回路的数据队列提供数据。该循环收集数据,管理数据图显示并将数据保存在文件中。并行运行的仪器循环(案例结构循环),每个循环管理一个仪器组件。仪器回路并行运行,可通过以下方式彼此同步:信号量,并通过数据管理回路转发的通知从其它仪器部件获得数据。每个仪器循环通过包含单个数据点的队列返回一个群集(结构),以及用于数据管理循环的信息,以正确排序、保存和显示数据。仪表回路还包括仪表的控制端子。使用了两种仪器循环:一种简单的仪器循环仅由用于简单采集任务的情况结构循环组成,另一种更复杂的仪器循环由与事件循环并行的情况结构循环组成,以管理仪器的异步功能。代码以两种方式记录:在代码中直接注释。每个虚拟仪器(VI)的文档属性中的注释,如果需要,可用于def类型。此外,还提供了代码的用户手册3.2. 数据流数据管理循环数据流从仪器产生数据开始。将获取的数据点发送到数据点集群中的队列它包括:• 采集时间• X轴值(例如Y轴值(例如“"真空(mbarThe ‘‘data type’’ (e.g. ‘‘Temperature pyrometer’’ or ‘‘signalmass spectrometer’’ (type def• MS数据的质量:amu值(所有数据管理器在数据波集群中按“数据类型”收集数据。它包括:XY数据波形(为每种数据类型返回的所有点)。显示特性(点样式、线样式、粗细和颜色)取决于数据类型。• 要显示的显示器的编号• 保存数据的文件流的引用这些聚类最终被收集在一个数组中,构成所有数据的集合。在收到每个新数据集时,将新数据保存到文本文件中。数据最终被发送到异步X控件显示器,该显示器将显示显示属性的绘图功能。位于“显示配置”选项卡上的配置X控件3.3. 仪表回路简单获取由切换的情况结构组成,切换的情况结构由“开始”、“打开的仪器”、“获取”、“空闲”和“关闭仪器”序列,每种开始:初始化:如加载最后的值和变量,控件或指标的初始化。打开仪器:仪器连接代码采集:仪器的采集代码并将获得的值提交给数据管理器空闲:控制事件处理(打开/关闭仪器、打开/关闭模拟、主退出),在不同病例和采样时间之间切换。• 关闭仪器:与仪器注意,对于拉取数据方法,采样时间由事件循环的“超时”减去采集时间确定控制端子位于外壳结构的右侧,指示器位于左侧。该回路配备有·············Jean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008754•×图二. 软件的主窗口最小尺寸为1680*800像素。(1)实验名称和退出按钮。(2)日志。(3)单个值的实时显示,(4)对仪器的直接控制访问(列中)。(5)选项卡控件之间切换:配置选项卡与仪器控制列排序(这里表示),绘图显示选项卡、显示配置选项卡、用于复杂仪器控制的XY内衬专用选项卡、用于管理控制的管理选项卡。(6)标签显示按钮. (7)配置选项卡上的仪器配置列图三. XY-载物台移动控制选项卡。左侧的蓝色是表示载物台位置的2D强度图。 其上方和右侧是质谱仪信号图,可轻松识别最大值。右侧是各种单元和炉位控制和指示器以及质谱仪实时信号显示。具有模拟控制,其能够在与模拟仪器一起运行或与仪器通信对于更复杂的仪器控制,使用相同的原理,只是添加适当的序列来执行更多的功能。对于一些很少使用的控件,控制终端被放置在“空闲"序列中的相关事件循环对于更复杂的仪器控制,特别是一个序列可能持续很长时间的仪器控制,是为了不阻塞用户界面和处理异步任务而实现的。它用于控制质量光谱仪以及XY载物台管理。为了同步不同的循环,使用了一个信号量(用于控制对公共资源的访问的它用于使用XY载物台和快门对质谱仪进行校准。还提供了返回最后获取的数据的通知。它返回质谱仪数据。它用于优化XY载物台对齐。可替代地,其可以应用于例如使用测量的温度作为PID控制的电源或任何其他控制回路的过程温度。4. 软件功能用户界面该软件的功能包括:最小1680 -800像素的可调主窗口。Jean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008755见图4。显示数据选项卡(此处为模拟信号)。左下角是显示数字控件。沿着尺度向下,潜水员控制适当地设置尺度。通过创建唯一的实验名称来定义实验框架(图1)。2- 1)以及用用户输入的关于实验的信息创建数据库记录。在示例情况下,系统目录中名为KEMSDB.udl的UDL(通用数据链路)指示到MS Access数据库的链接。此功能需要LabView数据库连接工具包。然而,它可以使用外部库来完成,例如ADO(ActiveX数据对象)。创建一个特定的文件夹,其中将收集与实验相关的所有数据。FGV(函数全局变量)可用于返回实验名称和路径。一个日志功能,供用户保存一些时间戳的意见,在一个文本文件图。 2比2四种可能的用户界面,用于从主窗口控制仪器。见图第二章:配置选项卡收集不需要频繁访问的仪器控件(图2-5)。 它们按列排序(图)。 2 - 7),并且包括例如控制与仪器的连接-断开的主开关、采样时间、软件模拟的激活、仪器回路状态、仪器通道配置等。前面板顶部的直接控制入口(图2- 4)。它收集仪器的常用控件。它们也按列排序包括启停采集、紧急停车、炉运行控制等。面板左侧的实时数据显示屏用于显示某些仪器返回的实时值(图1)。2- 3)。它们通常是实际真空或温度值。用于管理复杂任务的专用选项卡,通常是在质谱仪信号的帮助下对XY载物台进行校准。两个(可能更多)数据图显示(如图所示)。4),在主窗口上的一个标签中的第一个。第二个在另一个窗口中,可能用于多个显示器。额外Windows很容易实现。它们包括缩放,缩放和识别功能,并在主窗口的专用显示配置选项卡中完全可配置逐图。“显示配置”选项卡中的显示属性控件(图 5)。它允许用户为显示XControl的每个图设置显示属性。一个数据管理回路,用于管理数据收集、保存和显示:它将数据保存在文本文件中(制表符分隔),每种数据类型都有一个文件文件名表示数据类型和实验。文件头指示每列的数据名称。它显示在显示XControls中的数据(图。4). XControl接收完整的数据数组。它根据数据数组中包含的显示信息显示数据。多显示器XControl可用于多屏幕或窗口。 显示Xcontrol包括显示所选的Y标度、X标度重新缩放功能以及在光标指向时显示绘图名称(图1)。 3)。一个仪表回路,用于控制熔炉温度,并配有简单的电源.它包括添加预校准温度斜坡的可能性。斜坡在系统目录的文本文件中定义,并由温度表组成vs时间和电源电压覆盖所有温度范围。给定点之间的值由软件进行线性插值。它由用户根据其炉子的特性和所需的加热速率来定义。该校准可用于两种模式:连续温度斜坡或等温步骤。请注意,校准文件可以满足多个等温温度曲线。用于真空和热电偶测量的两个多通道仪器采集回路。用于高温计测量的单通道仪器采集回路。一种用于步进电机控制快门的快门控制回路。XY-炉阶段管理与4细胞。它在2D水平平面上控制熔炉的运动,···◦◦◦◦········Jean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008756同时显示质谱仪信号的强度,以便找到最大强度位置。A图形控件表示除相应质谱仪信号强度外,相对于池位置自动扫描功能让用户扫描MS最大信号的轴。不同的控制让用户调整炉的位置。质谱仪管理回路。其原理是让用户选择测量配置文件,将其发送到质谱仪控件,使用此配置运行采集循环,并在每个循环后以质谱仪强度、质量(amu)和测量时间的群集形式收集返回数据。每个周期可以发送多个簇。该软件并非设计用于管理频谱数据。然而,这可以由用户在MS循环本身它还提供了电离效率曲线的测量的可能性它包括在每个质谱仪周期之间增加离子源电子能量(或电压)可以配置步长和最大值。在电离效率曲线的测量期间,像其他数据一样记录MS强度数据和离子源电子能量。实现了一些其他功能,如打开/关闭灯丝或SEM注 意 , 该 回 路 实 际 上 针 对 Pfeiffer Vac-uum GmbH(Asslar,Germany)HiQuadQLR质谱仪进行了优化。该仪器的完整代码可按需提供(此时尚未完全测试),它还管理频谱的显示和保存。由于该回路与质谱仪密切相关,因此可能需要用户根据所实施的质谱仪的类型进行定制。请注意,读取或解释质谱仪信号的方式(在固定amu下测量、峰范围的积分或峰的拟合)取决于质谱仪控制和用户开发的接口代码的实现。同步两台仪器(如XY工作台)的信号量和的快门与的一种模块化结构,允许用户轻松定制代码的所有部分,而不会影响代码的其余部分。管理工具,如处理器占用率计[6]和队列监控。一份记录的代码,包括自定义建议。5. 执行用户检测5.1. 采集仪器通常,每个KEMS仪器都有其特定的配置。该软件旨在通过添加与仪器通信的代码和可能的一些控件来适应任何仪器。仪器代码始终位于其大小写选择器连接到模拟控件的大小写结构的在“True "情况下这使得软件即使没有工具也能完全对于仪器的实现,用户只需用其自身的仪器代码替换现有单通道采集环路内的现有仪器代码,并且可能使控制适应特定用途。图五. 显示配置选项卡。从左到右列:显示的屏幕编号(1-3)。数据的名称。线的颜色。点样式。线条样式。线条粗细。用户还可以复制/粘贴所有循环,并将它们重新连接到代码的其余部分在这种情况下,所有的控制都必须在前面板上进行此外,在这两种情况下,根据仪器地址类型,输入集群中的地址可能必须替换为正确的类型(Visa ref,String,URL,specific type.)。为简单起见,仪器的地址设置在代码中。可能必须进行最后一次调整:将SEND DATA VI(采集情况下)的输入调整为仪器返回的数据类型这是通过在连接到数据类型、X刻度和Y刻度终端的枚举中选择正确的值来完成的。如果正确的值不可用,则可以编辑特定的枚举类型定义并添加缺少的值。在这种情况下,用户可能想要为新数据设置默认显示参数。它可以在数据管理循环中设置,如数据管理循环顶部Data type值设置了一个wave,该wave将收集该类型返回的每个数据。因此,它应该是独一无二的。5.2. 控制仪器控制仪器如快门(带步进电机)、XY-载物台(带步进电机)和加热(带简单电源)。用户可以应用与采集仪器相同的规则,只需替换仪器代码。然而,如果用户使用不同的仪器,如电磁致动快门或YXZ台、硬件PID加热器控制器,则可能需要对仪器回路进行更多修改。如果用户想要共享其代码,可以在GitHub中打开一个新的分支。控制仪器,如质谱仪:对于质谱仪,仅执行采集和所需的控制(灯丝和检测器控制)。质谱仪的校准、调谐和所有其他功能均未实现。请注意,此处的质谱仪仪器回路针对PfeifferVacuum GmbH HiQuad ® ®进行了优化。四极杆质谱仪(特别是参数文件)。这台仪器是一台低分辨率仪器.更高分辨率质谱仪的实现在这种情况下········Jean-Yves Colle、Jouni Rautio和Daniel Freis软件X 16(2021)1008757具有将精确AMU与测量的元素/分子关联的质量选择器将是令人感兴趣的。这可能是在GitHub中创建新分支的主题。和一个叫普发的人通讯的完整代码竞合利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作Vacuum GmbH(Asslar,Germany)HiQuad® 仪器根据要求提供然后,用户需要安装适用于HiQuad质谱仪的PVHiQuad LabVIEW库,该库可在Pfeiffer Vacuum网站上获得您将需要以及Softing dataFEED OPC通过以太网进行通信,而不是使用DCOM(分布式组件对象模型),这可能不太稳定。该软件可由Softing AG(Haar,Germany)获得。6. 结论迄今为止,从事KEMS技术研究的科学家们在开发仪器的同时,还开发了自己的KEMS软件。这需要大量的时间和编程知识,通常在开发过程中获得。这些软件应用程序没有可用的文献,因此基本上每个新的KEMS软件开发都必须从头开始。有了这个软件,研究人员建立新的仪器或更新旧的,可以找到一个现成的软件框架,提供了一个简单的实施,为新建造的KEMS仪器,以及一个很好的基础,定制他们现有的KEMS软件。这也应该为他们提供机会,通过在GitHub中创建分支与其他团体分享他们的代码,从而促进科学界使用KEMS技术。确认特别感谢Paul Van Uffelen提供的帮助和Rudy Konings审阅手稿。特别感谢NI(National Instruments)支持和NI论坛的人员提供的帮助和提示。感谢Crossrulz [6]在这个软件中使用他的引用[1]Jean Drowart CC,John Hastie,David Bonnell.高温质谱:仪器技术,电离截面,压力测量和热力学数据(IUPAC技术报告)。PureAppl Chem2005;77(4):683-737.[2]Jacobson N,Kobertz D,SergeevD.介绍到诉讼的克努森扩散质谱法研讨会CALPHAD2019;65:111-26.[3]质 谱 仪 器 有 限 公 司 。 KEMS 仪 器 , http://massint.co 。 uk/kems/knudsen-effusion-ms.php.[4]Broopoly P,Zelenka F,Sopoušek J,Hejduková M,Kubalnová T,ZobaO.热 分 析 和 克 努 森 渗 出 质 谱 结 合 在 一 个 专 门 适 应 的 商 业 撇 渣 器 耦 合 仪 器(Netzsch)。CALPHAD2019;65:86-92.[5] Colle J-Y , Capone F. 用 于 努 森 池 质 谱 的 超 高 温 激 光 加 热 炉 Rev SciInstrumum2008;79(5):055105-1-055105-5。http://dx.doi.org/10.1063/1.2918135网站。[6] 克罗斯鲁茨ProcessorUtlisation(crossrulz). 2014年,https://forums.ni.com/t5/LabVIEW/Checking-to-see-if-a-process-is-running/m-p/2834814#M828361。
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