Лекция №13. Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий – тактов

Тактовая частота

Любая операция процессора (машинная команда) состоит из отдельных элементарных действий – тактов. В зависимости от сложности команда может быть реализована за различное число тактов. Например, пересылка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух чисел количество тактов требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные не находятся внутри процессора, и их приходится считывать из памяти.

Для организации последовательного выполнения требуемых тактов в компьютере имеется специальный генератор тактовых импульсов. Каждый импульс инициализирует очередной такт машинной команды. Чем чаще следуют импульсы, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Тактовая частота определяется количеством тактов за секунду. Очевидно, что для повышения быстродействия компьютера, следует повышать тактовую частоту. Однако этому имеется ограничение – быстродействие процессора. Можно повышать тактовую частоту до такой степени, что процессор не будет успевать за один такт (интервал между соседними импульсами) выполнять элементарную операцию. В современных процессорах тактовая частота не превышает 1ГГц.

Трехмерные дефекты малого объема - дисперсные выделения в матрице кристалла.

Дисперсные когерентные включения вызывают появление контраста прежде всего вследствие деформации окружающей матрицы. Поле смещений u зависит от анизотропии размеров и упругих свойств включений и матрицы. Критерий наблюдаемости позволяет определить направление u (линия отсутствия контраста всегда перпендикулярна направлению Н). Это позволяет различать пластинчатые, сферические и стержнеобразные включения. В простейшем случае сферического выделения в упруго изотропной матрице поле смещений задается формулой:

,

где А=- мощность дефекта (здесь n число атомов (молекул) во включении,

- коэффициент Пуассона и сжимаемость матрицы,

- сжимаемость включения,

R^M, R^B-эффективный радиус атомов (молекул в решетке матрицы и включения).

Поле смещений частицы обладает сферической симметрией, поэтому линия от сутствия контраста, где , проходит перпендикулярно направлению вектора Н, формирующего изображение. Изображение возникает благодаря тому, что плоскости в колонках искривляются, некоторые участки колонки приближаются брэгговскому положению (рис23). При этом амплитуда дифрагированного пучка возрастает. Изображение включения обусловленное искажением матрицы, имеет вид двух полуколец, разделенных линией отсутствия контраста. При этом вид изображения сохраняется при переходе от одного к другому отражению, формирующему изображение. Так как искривление колонки выше и ниже частицы имеет разные знаки, контраст, особенно для частиц малого размера, слабый, обычно лучше всего такие частицы видны при s~0, когда контраст возникает в результате интерференционного поглощения блоховской волны. При этом в темнопольном изображении частиц, находящихся вблизи нижней поверхности фольги, наблюдается характерный черно- белый контраст. По характеру расположения темных и светлых областей удается различить включения типа «внедрения» и «вычитания».В первом случае смещения направ- лены от частицы вдоль радиуса (А>0), во втором- наоборот. Для включений типа «внедрения» изображение на темнопольном позитивном отпечатке имеет чередование контраста от светлого к темному в положительном направлении вектора Н, так как это показано на рисунке 24. Мощность дефекта А можно, в принципе, найти из анализа профиля изображения вдоль направления вектора Н по методике, предложенной Эшби М. и Брауном Л.

На рисунке 25 показана зависимость ширины изображения, нормированной на экстинкционую длину (L _Э) от . Этот график и может быть использован для нахождения мощности дефекта А. Чтобы частица была видна в микроскоп, максимальная разница интенсивностей в области изображения частицы и фона должна быть больше определенной величины (например 10%). Условие видимости по Эшби М. и Брауну Л. имеет вид:

,

где R₀-радиус частицы.

В принципе анализ дифракционного контраста для малых дислокационных петель и пластинчатых выделений аналогичен, но при расчете амплитуд колонок подставляется поле смещений для этих дефектов. Если плоскость залегания круглой петли параллельна плоскости фольги, то вид изображения аналогичен изображению сферической частицыю Если петля расположена в наклонной плоскости, то проекция векторов смещения на плоскость фольги эллипс и расстояние между полукольцами изображения и симметрия их взаимного расположения будут зависеть от направления вектора дифракции (при прочих равных условиях формирования изображения).

Выделения можно обнаружить не только за счет контраста, обусловленного деформацией матрицы вокруг выделения. В частности, если структурные амплитуды решеток матрицы и когерентного выделения заметно различаются, так же может возникнуть контраст. Эшби М.и Браун Л. показали, что если толщина выделений <<L_э для формирующего контраст отражжения, то при sотносительное изменение интенсивности будет равно:

.

Очевидно наилучшие условия контраста будут если Очевидно, что в случае контраста из-за различия структурных амплитуд светлопольное и темнопольное изображения должны давать взаимно дополняющий контраст, если можно пренебречь поглощением. При сильном поглощении в толстых фольгах этот контраст будет очень слабым. Кроме того, при различной ориентации решеток матрицы и выделения, приводящей к заметному различию условий дифракции (при частично или полностью некогерентном выделении) в этих решетках может появиться так называемый ориентационный контраст. Этот тип контраста чаще всего встречается при достаточно крупных выделениях. В этом случае темнопольные изображения в рефлексах от выделений весьма полезный способ получить изображения выделений и установить их форму и размеры. Ориентационный контраст может приводить к появлению на краях изображений частиц полос равной толщины, аналогичных наклонным высокоугловым границам зерен.

Наконец, еще один тип контраста- контраст типа полос смещения, возникающий при резком изменении фазы падающей и дифрагированной волн на границе матрицы и выделения. В случае частично когерентного пластинчатого выделения вектор смещения перпендикулярный плоскости пластинки определяется формулой:

,

где относительная разница межплоскостных расстояний матрицы и выделения,

толщина пластинки,

n- число дислокаций несоответствия с компонентой вектора Бюргерса , нормальной плоскости пластинки.

Если при sизменение фазы кратно , то контраста нет. Но если (где n=1,2…),то при наклонном залегании пластинки на изображении возникает периодическое изменение интенсивности, независимое от (похожее на контраст от дефекта упаковки). Фазовый угол влияет на амплитуду колебаний интенсивности по глубине. Периодичность же не зависит от вектора смещения и равна L_Э/2. При s, в частности, при L_Эsампликолебаний интенсивности становится малой и при эти дополнительные колебания исчезают и периодичность становится равной эффективной экстинкционной длине .

В последние годы все большее распространение получают высоковольтные микроскопы с энергией электронов большей 350 кэВ о даже 1—1,5 МэВ. Такие микроскопы применяются прежде всего прежде всего из-за возможности увеличения толщины просвечиваемых фольг, что приближает условия наблюдения реальной структуры к структуре объемных объектов и увеличивает статистическую достоверность изучения особенностей структуры за счет увеличения просвечиваемого объема. При этом возрастает и толщина образца с заданным уровнем хроматической аберрации, обеспечивающим высокое разрешение микроскопа. Уменьшение рабочей длины волны с ростом ускоряющего напряжения обеспечивает и повышение теоретического разрешения и возможность прямого разрешения решетки за счет уменьшения углов дифракции (см.ниже).

Получение изображений с фазовым контрастом.

В этом случае изображение формируется в результате интерференции нескольких дифрагированных пучков. Рассмотрим сначала простейший случай,наблюдаемый даже в микроскопах с неочень высоким разрешением, когда реальные межплоскостные расстояния в решетке меньше разрешающей способности микроскопа. В образце, представляющем собой кристаллическую матрицу и включение в результате двойной дифракции в окрестности рефлексов электронограммы матрицы появляются рефлексы. расстояние до которых существенно меньше, чем расстояние между узлами матрицы (рис.25). Апертура позволяет достичь плоскости изображения, например, прямому и дважды дифрагированному пучку. В этом случае влиянием аберраций и дефокусировки, так как микроскоп работает не на пределе разрешающей способности, можно пренебречь. Тогда амплитуда А(r) в точке r определяется суммой амплитуд двух когерентных волн:

(8)

где А_0, А₁₂ - амплитуды прошедшей и дважды дифрагированной волн,

,- фазы волн, покидающих образец, зависящие от условий отражения (s,s^’) и толщины фольги Z и включения ,

-волновой вектор падающей волны.

В результате на изображении появятся линии равного значения амплитуды при . Итак для данных условий дифракции (s,Z), если А₁₂ соизмерима с А₀ возникает периодически меняющийся контраст (изменение интенсивности) с периодичностью в виде линий одинаковой интенсивности перпендикулярных . Эти линии называются муаровым узором. На схеме электронограммы (рис.26) показан пучок Р₁, отраженный от плоскостей матрицы с межплоскостным расстоянием d₁. После отражения от плоскостей включения с межплоскостным расстоянием d₂ дважды отраженный луч попадает в точку Q₁. Центр электронограммы и точки Р₁и Q₁лежат на одной прямой, если плоскости матрицы и включения параллельны. Отрезки ОР₁ и Р₁Q₁ пропорциональны 1/d₁ и 1/d₂ а OQ₁ cоответственно . Очевидно, что в точку Q₁ попал бы пучок, отраженный от плоскостей с межплоскостным расстоянием . Если через апертуру проходят пучки О и Q₁, то в соответствии с формулой (8) получается увеличенное изображение периодической структуры с периодом . Полосы равной интенсивности муарового узора смещения перпендикулярны вектору Если последовательное отражение происходит от плоскостей с одинаковым межплоскостным расстоянием, но повернутых на малый угол вокруг оси электронного пучка, то практически перпендикулярен Н₁ и равен. Соответственно период полос муарового узора вращения, перпендикулярных равен . При сопряжении решеток с разными периодами ималым взаимным разворотом возникает смешанный муаровый узор с периодом . При разделении перекрывающихся решеток в фольге границей кручения может возникнуть муар вращения. Расстояние(D) между соседними винтовыми дислокациями в такой границе =, где -вектор Бюргерса,-угол скручивания. Если кристалл разделен на две части плоскостью скольжения, содержащей ряд краевых дислокаций одного знака, то среднее межплоскостное расстояние в той части кристалла, где лежат избыточные полуплоскости меньше. В результате может возникнуть картина муара смещения, полосы которой параллельны осям дислокаций, причем при расстояние между полосами муара равно расстоянию между дислокациями. Ряд смешанных дислокаций должен давать картину смешанного муара. Анализ полос муара часто является способом установления характера сопряжения матрицы и выделения. Чтобы представить влияние отдельных дислокаций на муаровый узор учтем, что он получается наложением решеток совершенного и несовершенного кристаллов и является увеличенным изображением периодической структуры несовершенного кристалла.Если, например, в нижний слой сендвича, дающего муаровый узор, ввести дислокацию, то полосы муара на одной стороне изображения сместятся по отношению к полосам на другой стороне на величину, равную проекции вектора Бюргерса на нормаль к отражающим плоскостям. Это приведет ктому, что ряд полос обрывается на дислокации. Если дислокация находится в решетке с меньшим периодом то дислокация в муаровом узоре (для муара смещения) имеет тот же знак что и дислокация в решетке. Но если дислокация находится в решетке с большим периодом то в муаровом узоре дислокация имеет противоположный знак (рис 27). Число оборванных полос равно отношению проекции вектора Бюргерса на единичный вектор нормали к отражающим плоскостям, деленной на межплоскостное расстояние изображаемых плоскостей:

.

Для полных дислокаций N - целое число, для частичных может быть и дробным. Это означает, что полосы смещены не на целый период, а лишь на его часть. Изображение имеет одинаковый вид для краевой и винтовой дислокаций. Из изложенного следует, что по обрывающимся (смешанным) полосам муарового узора можно найти проекцию вектора Бюргерса. Если величина вектора Бюргерса не известна, как это бывает для кристаллов со сложными решетками, то, получив проекции на три некомпланарных вектора Н, можно найти его величину и направление.

Если в каждой из налагающихся решеток имеется по дислокации то число оборванных полос равно разности между значениями N для каждой дислокации, когда они имеют одинаковый знак, и сумме значений N если они имеют противоположные знаки. Определенный практический интерес имеет возможность наблюдения муара в эпитаксиальных структурах, особенно если удается осуществлять непосредственно в колонне микроскопа. Удается заметить уже незначительные взаимные повороты решеток при образовании зародышей - кристаллов растущей пленки. При этом можно проследить зависимость разориентации решеток от их рамеров, образование дислокаций при приспособлении решеток и в процессе роста сплошной пленки при сравтании зародышей.

Дата добавления: 2014-01-13