01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 23 августа 2007 г. № 138
 

I. Общие методические рекомендации

Приборы и методы экспериментальной физики - область науки и техники, в которой изучаются:

  • основы формирования сигналов первичными преобразователями физических процессов и явлений, методы аналоговой и цифровой обработки получаемых сигналов, алгоритмы анализа формируемых потоков данных для оценки параметров и характеристик контролируемых процессов;
  • принципы построения и элементная база средств измерений, компоненты компьютерных систем, алгоритмический и математический аппарат для создания соответствующего программного обеспечения;
  • основы метрологического обеспечения эксперимента.

Целью изучения дисциплины «Приборы и методы экспериментальной физики» является получение знаний, необходимых для выполнения диссертационной работы аспирантами и соискателями ученой степени по указанной специальности.

В основу данной программы положены следующие дисциплины: методы измерения физических величин, основы метрологии, приборы и техника эксперимента, методы обработки и анализа результатов измерений, моделирование физических процессов.

Список рекомендуемой литературы включает ссылки на наиболее доступные источники информации, достаточные для изучения предмета в объеме требований программы-минимум.

Дополнительная программа должна включать новые разделы данной отрасли науки и разделы, связанные с направлением исследований соискателя. Дополнительная программа разрабатывается и утверждается в организации, в которой принимается экзамен.

II. Основное содержание программы

1.Методы измерения физических величин

Системы единиц. Единая система единиц (СИ), универсальные постоянные. Производные единицы и эталоны.

Прямые, косвенные, статистические и динамические измерения. Принципиальные ограничения на точность измерений. Квантовые эффекты в физических измерениях. Соотношения неопределенности. Роль обратного флуктуационного влияния прибора. Стандартные квантовые пределы.

Фундаментальные шумы в измерительных устройствах (тепловой шум, генерационно-рекомбинационный и дробовый шумы в электронных и оптических приборах, радиационные и шумы типа 1f).

Методы измерения временных интервалов и частоты процессов. Стандарты частоты.

Измерения координат, углов и расстояний.

Способы измерения электрических, магнитных и термодинамических величин.

Регистрация и измерение параметров акустических полей и электромагнитного излучения радио и оптического диапазонов.

Детекторы радиоактивного излучения (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черепковские счетчики, ядерные фотоэмульсии), дозиметрический контроль и единицы измерений.

Методы измерения оптических, акустических и микрофизических характеристик веществ и сред.

Шумы и помехи при измерении физических величин.

Дифференциальные, интерферометрические и другие методы измерений.

Методы спектроскопических и хромотографических измерений.

Нанотехнологии в измерительной технике.

2. Приборы и техника эксперимента

Основные принципы построения приборов для измерений физических величин и процессов.

Первичные измерительные преобразователи акустических, электрических, магнитных и электромагнитных полей. Основные параметры и характеристики преобразователей.

Источники излучений различной физической природы.

Основные электронные элементы (аналоговые и цифровые) средств измерений.

Оптоэлектронные, акустические, магнитные и др. элементы приборов экспериментальной физики.

Типы каналов связи между измерительными устройствами и средствами накопления, обработки и хранения данных.

Многозадачные операционные системы реального времени. Программные и аппаратные средства управления экспериментом.

Системы хранения данных. Средства работы с базами данных.

Планирование эксперимента и оптимизация структуры используемого комплекса аппаратуры.

Автоматизация проведения эксперимента, создание банков данных

3. Методы обработки и анализа результатов измерений

Случайные события. Понятие вероятности. Условные вероятности. Распределение вероятности. Плотность вероятности. Моменты.

Специальные распределения вероятностей и их использование в физике. Биномиальное распределение, распределение Пуассона (дробовой шум), экспоненциальное распределение. Нормальное распределение и центральная предельная теорема.

Многомерные распределения вероятностей. Корреляции случайных величин.

Случайные процессы. Эргодичность. Корреляционная функция случайного процесса. Стационарные случайные процессы. Спектральная плотность. Теорема Винера-Хинчина.

Оценка параметров случайных величин. Выборочные средние и дисперсии. Выборочные распределения, распределение Стьюдента, С? -распределение

Определение средних значений измеряемых параметров и их погрешностей в прямых и косвенных измерениях.

Техника оценки параметров при разных распределениях погрешностей измерений. Средние и вероятные значения переменных. Техника оценки параметров при асимметричных распределениях погрешностей. Суммирование результатов различных измерений. Робастные оценки. Параметрические и непараметрические оценки.

Аналитическая аппроксимация результатов и измерений. Интерполяция (линейная, квадратичная, кубическая, сплайнами и т. д.)

Фурье-анализ. Дискретное преобразование Фурье. Быстрое преобразование Фурье. Вэйвлетный анализ.

Статистическая проверка гипотез. Критерии согласия и методы их использования. Критерий £2, Смирнова-Колмогорова, Колмогорова.

Прямые и обратные задачи. Некорректные задачи. Обратные задачи при анализе результатов измерений и методы их решения.

Метод максимального правдоподобия и его применение.

Метод наименьших квадратов.

4. Моделирование физических процессов

Понятие, цель и роль модельного эксперимента. Виды эксперимента. События и пространство исходов эксперимента.

Информационная модель и аналитическое описание физических процессов.

Выбор метода и технических средств, методы оценки ожидаемых результатов и их погрешностей.

Метод статистических испытаний, методика его применения.

Программное обеспечение модельного и физического экспериментов. Технология разработки программ реального времени.

Учет влияния прибора на результаты измерений. Моделирование с учетом особенностей используемых детекторов.

5. Основы метрологии

Классификация измерений и средств измерений. Формирование эталонной базы и общегосударственных поверочных схем для средств аттестации. Основы метрологического обеспечения.

Категории эталонов, образцовых средств измерений, рабочих средств измерений, метрологическое обеспечение их единства.

Методы хранения и воспроизведения эталонных физических величин

Локальные поверочные системы, поверочные устройства высшей точности, передача эталонных значений к удаленным пользователям

Требования к оформлению документации (ТУ, ТО, ТЗ и др).

III. Список рекомендуемой литературы

  1. Боровков А.А. Математическая статистика. М.: 1984.
  2. Гришин В. К., Живописцев Ф. А., Иванов Ф. А. Математическая обработка и интерпретация физического эксперимента. М.: Изд-во МГУ, 1988.
  3. Статистические методы в экспериментальной физике / Под ред. Тяпкие А. А. М.: Атомиз-дат, 1986.
  4. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. - Новосибирск, 2000г.
  5. Ткаченко Ф. А. Техническая электроника - Мн. Дизайн ПРО, 2000.
  6. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. -М.: Радио и связь, 1991.
  7. Гришин Ю. П., Ипатов В. П., Казаринов Ю. М., Коломенский Ю. Д. Радиотехнические системы. - М.: Высш. шк., 1990.
  8. Технология разработки программного обеспечения: Учебник / С. Орлов. - Ст-Пб.: Питер, 2002.
  9. К. Дж. Дейт. Введение в системы баз данных // Издательство Диалектика: Киев-Москва, 1998.
  10. Доджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер с англ.-М.:Мир, 1988.
  11. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1989.
  12. Шестаков К. М. Теория принятия решений и распознавание образов: курс лекций/ Мн.: БГУ, 2006.
  13. Асатурян В.И. Теория планирования эксперимента. - М.: Радио и связь, 1983.
  14. Чернявский А. Ф. Обработка информации в радиофизических системах: курс лекций/ Мн.: БГУ, 2004.
  15. Метрология. Основные термины и определения. Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99. - М.: Издательство стандартов, 2000.
  16. Рудзит Я.А., Плуталов В.И. Основы метрологии, точность и надежность в приборостроении. - М.: Машиностроение, 1991.
  17. Короткое В.П., Тайц Б.А. Основы метрологии и теории точности измерительных устройств. - М.: Изд-во стандартов, 1988.
  18. Зайка В. А. Системы ввода-вывода в натурном эксперименте.-Мн.: Навука i тэхтка, 1993.
  19. Фираго В. А. Приемники излучения. Мн.: БГУ, 2005.
  20. Кугейко М. М. Лазерные системы (в условиях априорной неопределенности). Мн.: БГУ, 1999.
  21. Малевич И. А., Ефременко Д. А., Табачник Э. И. Синтез образцовых многозначных мер времени // Мн.: Университетское. 1994.