Система удаленного доступа к просвечивающему электронному микроскопу Курчатовского института

Мировой опыт работ в области анализа наноматериалов свидетельствует о том, что в настоящее время рекордными характеристиками, позволяющими исследовать материал на атомном уровне, обладает просвечивающая-растровая электронная микроскопия. В настоящее время в РНЦ "Курчатовский институт" установлен уникальный и единственный в РФ просвечивающий-растровый электронный микроскоп TITAN 80-300 (FEI, США), который позволяет достичь разрешения в режиме параллельного освещения широким пучком уровня в 0,05 нм, а в растровом-просвечивающем режиме 0,08 нм (Рис. 1). Однако доступ к этому прибору для большинства научных учреждений в РФ, работающих в предметной области, существенно ограничен или вообще закрыт в связи с их территориальной удаленностью от Курчатовского центра. Цель настоящего проекта состоит в создания программно-аппаратной платформы, обеспечивающей возможность удаленного планирования эксперимента, проведения исследований и дистанционного обучения.

Рисунок 1 - Просвечивающий растровый электронный микроскоп ТИТАН 80-300
с корректором сферической аберрации, установленный в Курчатовском институте

В архитектуре НММК можно выделить четыре связанных между собой основные компоненты: систему дистанционного обучения, систему подготовки и ведения эксперимента, систему дистанционного управления прибором и симулятор, имитирующего реальные системы директивного управление прибором и анализа данных.

Система дистанционного обучения

Система дистанционного обучения предназначена для создания, хранение и управления обучающими материалами, включая видео-аудио материалы, шаблоны алгоритмов взаимодействия с системой, обучающие виртуальные туры, интерактивное тестирование. Система состоит из трех подсистем: "цифровая библиотека", "контроль знаний" и "организация учебного процесса". Эти подсистемы являются независимыми и могут быть разделены. Применение современных технологий разработки программного обеспечения позволяет интегрировать подсистемы других разработчиков. Система дистанционного обучения может быть использована для формирования цифровой библиотеки учебных материалов, проведения экзаменационных мероприятий, формирования расписания и разграничение доступа к цифровым объектам.

Интерфейс системы является адаптивным и его отображение зависят от прав и роли пользователя. Однако общая структура интерфейса является единой для всех пользователей и состоит из функционального меню, дерева объектов и строки поиска, и основной области отображения контента (Рис. 2).

Рисунок 2. Структура интерфейса системы удаленного доступа

Система подготовки и ведения эксперимента

В системе подготовки и ведения эксперимента после прохождения авторизации, пользователю доступна работа с подсистемами бронирования, подсистемой учета образцов и подсистемой анализа результатов эксперимента.

Подсистема бронирования предназначена для заказа времени работы (сессии) с микроскопом. В заказе указывается категория работы, время и продолжительность сессии (Рис. 3). После заказа администратор прибора может отменять сессию пользователя с низшим приоритетом.

Модуль планирования проведения экспериментов обеспечивает разграничение прав доступа и учет допущенных к эксперименту пользователей, возможность совместного доступа нескольких пользователей к одному эксперименту, учет совместного использования экспериментального оборудования при формировании расписания и поиск цифровых объектов.

Рисунок 3. Общее расписание экспериментов

Библиотека экспериментальных данных

Библиотека экспериментальных данных реализована в виде отдельного веб-приложения с собственной базой данных (Рис. 4). Библиотека обеспечивает разграничение прав доступа к экспериментальным данным и долговременное хранение экспериментальных данных в различных форматах. Вместе с результатами эксперимента в базу данных также заносятся: имя пользователя, проводившего эксперимент, программа эксперимента, описание образца, целей, задач эксперимента, параметры работы станции и т.п.

Рисунок 4. Библиотека экспериментальных данных

Симулятор электронного микроскопа

В симуляторе электронного микроскопа реализованы интерактивная модель пультов управления и упрощенный вариант интерфейса программы управления микроскопом, позволяющие пользователю познакомиться с основными принципами управления процессом получения изображений образца, дифракционной картины и спектрограмм. При создании симулятора была использована платформа Flash c внутренним скриптовым языком Action Script 3.0. Преимуществом данной платформы является возможность запускать симулятор не только локально на компьютере пользователя, но и по удаленному доступу через сеть Интернет, где работа с ним может происходить через браузер.

Симулятор моделирует основные элементы интерфейса программы управления микроскопом, такие как окна состояния прибора и изображения образца, дифракции спектрограмм, а также некоторые элементы панели управления (Рис. 5). С помощью панелей управления пользователь симулятора может управлять увеличением и размером пятна микроскопа, перемещать поле зрении и ориентировать образец, регулировать фокусировку и астигматизм.

В симуляторе используется библиотека предварительно отснятых образцов, которая представляет собой набор графических файлов с изображениями общего вида и отдельных фрагментов образца в различном масштабе, а также файл с описанием библиотеки в формате XML, в котором содержатся относительные координаты левого верхнего и правого нижнего краев изображений, а также их имена. При изменении в симуляторе уровня увеличения происходит проверка наличия изображения в библиотеке, соответствующего этому уровню. Если такое изображение имеется, то происходит его загрузка с последующим отображением в симуляторе. Расположение имеющихся изображений относительно друг друга схематически отображается в панели управления Stage пользовательского интерфейса.

Интернет-адрес симулятора просвечивающего электронного микроскопа http://microscope.kiae.ru/simulate.

Рисунок 5. Пользовательский интерфейс и пульты управления симулятора

Размещение системы удаленного доступа

Архитектура размещение программных компонент системы по серверам представлена на рисунке 5. Красной рамкой выделены физические компоненты и связи между ними. Голубой рамкой и голубым цветом - программные компоненты и связи между ними и физическими подсистемами, показывающие, что на данное аппаратное обеспечение установлена данная программная подсистема.

Рисунок 5. Архитектура размещения программных компонент и распределенных серверов

Системе требуется три компьютера:

• система директивного доступа и управления прибором;
• машина-посредник;
• сервер приложений.

Система директивного доступа представляет собой кластер узкоспециализированных машин и поставляется производителем микроскопа. На нее установлены VNC-сервер и система анализа результатов, работающая с изображениями, получаемыми на микроскопе во время проведения эксперимента.

Машина-посредник используется для связи системы директивного управления прибором с глобальной сетью Интернет, на ней установлено два сетевых интерфейса и приложение для безопасного перенаправления сетевого трафика.

Сервер приложений на рисунке вынесен за пределы лаборатории. В настоящее время он реализован на виртуальной машине в вычислительном облаке Курчатовского института (http://www.nanocloud.su). На сервере установлена подсистема поддержки проведения эксперимента и виртуальная обсерватория VxOware (http://www.vxoware.org) для хранения объектов со своими компонентами.

Сетевой адрес системы

Сетевой адрес системы удаленного доступа к просвечивающему электронному микроскопу НБИК-Центра Курчатовского института http://microscope.kiae.ru. Всем пользователям системы необходимо пройти предварительную регистрацию и проверку у администратора прибора.

Федеральное государственное бюджетное учреждение
«Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
(НИЦ «Курчатовский институт»)