Преподаватель: Борисов Андрей Эдуардович
Кафедра: физики и технологии наноструктур (образовательная программа «Физика сверхпроводимости и квантовых материалов»)
Аннотация
Лабораторное оборудование, внешний вид лабораторий и навыки, необходимые экспериментатору, радикально изменились на жизни одного поколения. Из лабораторий практически полностью исчезли стеклянные приборы, медь в низкотемпературном оборудовании заменена нержавеющей сталью, пайку заменила сварка и склеивание, ламповая измерительная техника заменилась вначале полупроводниковой транзисторной, а затем сверхпроводниковой, интегральными схемами, микроконтроллерами. Способ хранения результатов на магнитной ленте, на перфокартах и перфоленте заменился флэш-памятью. Изменяются интерфейсы взаимодействия экспериментатора с приборами. Эти изменения происходят на временах одного поколения экспериментаторов, поэтому экспериментаторам необходимо понимать, во-первых, как работали их предшественники, во-вторых осваивать принципы и теорию измерений вообще, и современные методы, в частности.
Курс лекций имеет целью ознакомить студентов с современными техниками и особенностями эксперимента в области физики низких температур. Предлагается дать базовые знания в максимально широком круге вопросов, касающихся теоретических предпосылок и проблем, связанных непосредственно с измерениями, подготовки и проведения эксперимента, обработки экспериментальных данных. Планируется сформировать у потенциальных исследователей правильное представление о ходе эксперимента и путей решения возникающих проблем и задач.
Программа
1. Введение. Понятие «измерение». Единицы измерения. Ошибки измерений
Сходства и отличия прикладной науки и фундаментальной. Введения понятия «измерение», виды измерений, прямые и косвенные. Единицы и системы единиц. Определение базовых единиц измерения, история и современные тенденции привязки их к фундаментальным величинам. Ограниченная точность любого измерения – погрешность измерений. Различие истинного и измеренного значений физической величины. Систематические и случайные погрешности. Чувствительность измерительной аппаратуры. Порог чувствительности. Разрешающая способность. Чувствительность к форме сигнала и нелинейность измерительных систем. Пределы измерений и динамический диапазон. Мостовые схемы для расширения диапазона. Мост Уитстона.
2. Структура измерительных систем. Измерительные датчики
Зависимость структуры измерительной системы от свойств измеряемого объекта: активный или пассивный. Состав измерительной системы: блок преобразования сигнала, блок обработки, регистрации, индикации и управления. Виды и возможности измерительных датчиков.
3. Экранирование линий передачи сигнала. Магнитные и электрические наводки
Методы экранирования электрических линий от внешних сигналов. Помехи и наводки, связанные с неправильным заземлением. Физическое заземление и нулевая фаза. Наводки от электрических кабелей питания. Магнитные и электрические наводки. Борьба с ними. Изолирующие трансформаторы и методы их безопасного включения и выключения. Оптоволоконные развязки сигналов и оптоволоконная связь компьютера с предусилительной аппаратурой.
4. Преобразование измеряемого сигнала
Идеальный операционный усилитель. Дифференциальный каскад как основа ОПУ. Синхронный усилитель (Lock-in Amplifier). Нелинейная обработка сигнала. Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование (ЦАП и АЦП). Зависимость необходимых преобразований от параметров эксперимента.
5. Обмен информацией между измерительными приборами и компьютером
Способы подключения аппаратуры к компьютеру и их особенности. Интерфейсный канал в стандарте IEEE-488, RS232 и пр. Использование библиотека PyVisa (Python3) для автоматизации взаимодействия с измерительным оборудованием.
6. Принципы обработки экспериментальных данных
Грамотная запись и хранение экспериментальных данных. Знакомство со средами обработки данных, основные принципы работы с ПО. Методы обработки и оптимизации больших наборов измерений. Сглаживание, Фурье-преобразование, фильтрация шумов. Быстрая оценка качества данных. Визуализация данных измерений, построение графиков. Правила и требования к графикам в научных статьях.
7. Вакуумная техника и измерительные вставки
Основные типы насосов и их устройство. Случаи и ограничения использования различных насосов. Основные требования к вакууму в криогенном эксперименте. Вакуумные уплотнения. Ввод линий передачи сигнала в криогенный объем.
8. Основы создание чертежей и схем для экспериментального исследования
Знакомство с ПО для создания чертежей и схем. Правила оформления чертежей. Использование открытого ПО для нужд физического эксперимента.
Дополнительно
9. Принцип работы рефрижератора на пульсирующих трубках
10. Принцип работы криостата растворения
11. Принцип измерения намагниченности в установке MPMS
Перечень рекомендуемой литературы
Основная литература:
- «Радиотехнические цепи и сигналы», И.С. Гоноровский, М.: Радио и связь, 1986
- «Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике», К.Б. Клаассен, М.: ПОСТМАРКЕТ, 2000
- «Экспериментальная техника в физике низких температур», Г.К.Уайт, Пер. с англ. – М.: Физ-мат. Лит., 1961
- «Искусство криогеники», Г. Вентура, Л. Ризегари, Пер. с англ. – Интеллект, Долгопрудный, 2011
- «Шумы при измерениях», А. ван дер Зил, Пер. с англ. – Мир, Москва, 1979
Дополнительная литература:
- «Принципы и методы получения температур ниже 1К», О.В. Лоунасмаа, М.: Мир, 1977
- «Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях: в 2-х томах», Макс Ж., Пер, с франц. — М.: Мир, 1983.