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
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. Взаимосвязь разных систем единиц и сферы их использования.
2. Методы и ошибки измерений. Чувствительность измерительной аппаратуры. Шумы и помехи
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. Измерительная система, для того, чтобы получить информацию об измеряемом объекте, как правило, отбирает у него часть энергии, возмущая измеряемый объект, что приводит к ошибкам в измерении. Согласование импеданса источника (образца) и приемника. Пассивные и активные конверторы импеданса.
3. 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. Ограничения использования датчиком при низкотемпературных и вакуумных измерениях.
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. 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.
6. 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.
7. Связь измерительной аппаратуры с криогенными датчиками сигналов или криогенным объектом
Типы криогенных датчиков и их использование. Оптоволоконная связь, волноводы, световоды, провода, ВЧ/СВЧ кабели. Термо-эдс как источник помех. Методы избавления от термо-эдс. Специфика работы с криогенными объектами.
8. Насосы и вакуумная техника
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. Соединения различных металлов, гермовводы, избавление от вносимых ими термоэдс, электрических утечек.
9. Устройство и использование дюаров. Устройство измерительных вводов в криостат
Устройство и использование сосудов Дьюара для хранения и транспортировки криогенных жидкостей. Правила использования дьюаров и техника безопасности. Использование дьюаров для быстрых низкотемпературных измерений. Измерительные вставки, их виды и устройство. Вакуумное уплотнение вводов в криостат, минимизация передачи тепла к образцу или объекту измерений. Охлаждаемые усилители, предусилители, конверторы импеданса. ВЧ фильтры.
10. Техника безопасности в лаборатории низких температур
Техника безопасности и правила поведения в лаборатории низких температур. Правила обращения с вакуумной и криогенной техникой. Правила обращения с электроприборами, особенности эксплуатации прецизионного измерительного оборудования. Правила обращения с криостатами, сосудами Дьюара и криогенными жидкостями. Основы хим. безопасности.
11. Техника ВЧ и СВЧ
Особенности проведения измерений при ВЧ и СВЧ. Специфика измерительного ВЧ и СВЧ оборудования. Волноводные, коаксиальные, полосковые линии. Резонаторы. Помещение образца в ВЧ или СВЧ резонатор. Измерение сдвига частоты или добротности резонатора. Измерения при помощи лазера. Оптические и СВЧ измерения
12. 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.
13. 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.
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
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.