Приборы и методы экспериментальной физики

Санкт-Петербург

Министерство образования и науки Российской Федерации

УНИВЕРСИТЕТ ИТМО

П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук

Приборы и методы экспериментальной физики

Рекомендовано к использованию

в университете ИТМО

по направлению подготовки 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика» в качестве учебно-методического пособия для реализации основных профессиональных программ высшего образования бакалавриата

Санкт-Петербург

2017

П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук. Приборы и методы экспериментальной физики. Учебное пособие. – СПб: Университет ИТМО, 2017. – 70 с.

Рецензенты:

Учебное пособие предназначено для бакалавров факультета фотоники и оптоинформатики, обучающихся по программе подготовки «Физика наноструктур» по направлению подготовки 12.03.03 «Фотоника и оптоинформатика», обучающихся по дисциплине «Приборы и методы экспериментальной физики». Практикум также может быть рекомендован студентам старших курсов физико-технических специальностей, а также магистрантам, специализирующимся в области применения оптических методов в исследовании наноструктур.

Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности.

Ó Университет ИТМО, 2017

© П.С. Парфенов, А.П. Литвин, Д.А. Онищук, 2017

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение
	эксперимент в физике
	измерительные приборы и датчики
	Операционные усилитЕЛИ
	Приемники света
	Техника спектроскопии. Спектрометры и монохроматоры
	помехи
	Регистрация времен затухания люминесценции
	Автоматизации измерительного эксперимента
	Интерполяция, аппроксимация и экстраполяция
	АТОМНО-СИЛОВая МИКРОСКОПИя
	Приложение: ОДНО- И ТРЕХФАЗНЫЕ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
	Литература

ВВЕДЕНИЕ

Учебный курс «Приборы и методы экспериментальной физики» представляет собой часть бакалаврской дисциплины «Физика наноструктур». Курс нацелен на ознакомление с рядом методов экспериментальной физики, систематизацию знаний, полученных в рамках предшествующих дисциплин, и на их приложение к экспериментальному оборудованию, применяемому для изучения физических свойств наноструктур.

В рамках курса студенты должны получить представление о физических основах измерительного процесса и аппаратной реализации экспериментальных методов физики. Первая глава посвящена месту эксперимента в физике и экспериментатора в эксперименте, влиянию экспериментатора на эксперимент и принципиально вероятностной природе физического эксперимента. Рассматривается тема планирования эксперимента, что требуется для уменьшения методических погрешностей, а также влияния экспериментатора.

Вторая глава посвящена преобразованию измеряемого сигнала в электрический сигнал, измерительным приборам, их параметрам и параметрам электрических сигналов, а также согласованию нагрузки при последовательном включении приборов или при самом измерении.

В третьей главе рассматриваются основные параметры усилителей на примере основных схем включения операционных усилителей. Знание способов их включения также позволяет самостоятельно создавать усилители слабых сигналов с требуемыми параметрами.

В следующей главе рассматриваются приемники света от болометров до матричных приемников и их параметры. Рассмотрение шумов, которые присущие приемникам и усилителям, иллюстрируется сравнением разнотипных приемников между собой по шумовым параметрам.

Глава, посвященная технике спектроскопии, охватывает вопросы структуры дифракционных монохроматоров, их параметров, способы управления и калибровки по спектру АЧТ и длинам волн. Приводится информация об основных параметрах дифракционных решеток и особенностей работы с ними.

Помимо шумов, которые присущи элементам измерительной схемы, существует проблема борьбы с помехами извне. В главе про помехи рассматриваются основные виды помех, а также способы борьбы с ними с помощью схемных решений – модуляции, кодирования, синхронного детектирования. Одним из способов борьбы с помехами является и счет фотонов, применяемый для регистрации сверхслабых сигналов. Рассматриваются и свойства, отличающие приемники, ведущие счет фотонов, от других.

Глава про регистрацию времен затухания люминесценции описывает способы измерения времен в диапазоне от пико до миллисекунд. Подробно рассматриваются режимы счета фотонов. Отдельно рассматривается время-коррелированный счет фотонов, дискриминаторы, работающие по методу следящего порога для регистрации импульсов разной амплитуды. Вопросы настройки системы счета фотонов рассматриваются в ракурсе предотвращения наложения импульсов друг на друга, что искажает экспериментальные данные.

В главе об автоматизации измерительного эксперимента рассматривается несколько примеров, когда с помощью поставляемого с приборвами комплекта документации на языках разного уровня создается программное обеспечение, позволяющее автоматизировать измерительный процесс. Рассмотрение такой темы не может обойтись без упоминания о системе LabVIEW.

Вопросу поиска функциональной зависимости при обработке экспериментальных данных посвящена глава про интерполяцию, аппроксимацию и экстраполяцию. Оптимальность применяемых методов зависит от объема экспериментальных данных и предполагаемого характера зависимости.

В последней главе рассматривается атомно-силовая микроскопия – метод, позволяющий напрямую измерять геометрии наноструктур, а также рассматриваются методы обработки изображений на примере работы с данными, полученными на атомно-силовом микроскопе.

Для самопроверки в конце каждого параграфа приведен список вопросов.

Эксперимент в физике

Эксперимент – метод познания, когда в контролируемых условиях исследуются явления действительности. Экспериментальная физика – группа дисциплин физики, заключающаяся в сборе данных и разработке методов сбора данных, и подготовке и проведении экспериментов. Экспериментальные исследования ведутся во всех областях науки и техники. Цель этих экспериментов либо установить новые факты об исследуемом явлении, либо сравнить влияния различных условий на рассматриваемый процесс.

Необходимо понимать, что конечную оценку эксперименту дает субъект (наблюдатель), и только в его силах оценить корректность постановки эксперимента и границы трактовки результатов. Фон Нейман говорил, что должна быть возможность так описать в действительности физический процесс субъективного восприятия, как если бы он был в физическом мире, и приводил пример измерения температуры. Теоретическое описание процесса измерения можно остановить на словах «температуру измеряет термометр», можно продолжить расчеты до измерения наблюдателем длины ртутного столбика, далее рассмотреть построение изображения ртутного столбика на сетчатке наблюдателя, продолжить описывать химические реакции в мозгу и только тогда сказать – эти химические изменении в клетках мозга воспринимает наблюдатель. Однако в любом случае должна быть возможность сказать «это воспринимается наблюдателем». Т.е. мир делится на следующие части – наблюдаемую и наблюдателя. В первой части в принципе можно исследовать все физические процессы, во второй это бессмысленно. Положение границы между ними произвольно. И опыты можно проводить только с утверждениями типа «наблюдатель испытал определенное восприятие», а не «некоторая физическая величина имеет определенное значение» [1].

Субъект, дающий трактовку эксперименту, вносит в него когнитивное искажение (искажения в процессе познания вследствие стереотипов, особенностей работы мозга, физических ограничений, эмоций и пр.), особенно на этапе обработка данных и трактовки результатов. Люди склонны интерпретировать полученные данные в соответствие с собственной точкой зрения (англ. confirmation bias), исключая из рассмотрения отклоняющиеся результаты, и отдавая предпочтение соответствующим. Правильная постановка эксперимента может уменьшить влияние искажения.