Введение

В основу данной программы положены следующие дисциплины: методы измерения основных физических величин, основы метрологии, методы анализа физических измерений, моделирование физических процессов, автоматизация эксперимента.

Программа разработана экспертным советом Высшей аттестационной комиссии Министерства образования Российской Федерации по физике при участии Научно-исследовательского института ядерной физики и Физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, а также Алтайского государственного университета.

1. Методы измерения основных физических величин

Методы измерения времени, погрешности измерений, эталоны. Учет эффектов общей теории относительности (зависимость хода часов от ускорения и гравитации)

Измерение частот в радиодиапазоне. Стандарты частоты.

Методы и погрешности измерений координат, углов, длин. Мировые стандарты и эталоны.

Методы измерения термодинамических величин

Радиоспектроскопия (эффект Зеемана, ядерный магнитный резонанс, томография).

Электромагнитные измерения (способы регистрации радиоизлучения, методы регистрации в оптическом диапазоне: фотодиоды, фотоумножители, черенковские детекторы).

Регистрация частиц и радиоактивных излучений (ионизационные камеры, газоразрядные счетчики, пропорциональные счетчики, стриммерные и искровые камеры, полупроводниковые детекторы, сцинтилляционные счетчики, пузырьковые камеры, черенковские счетчики, ядерные фотоэмульсии).

Шумы и помехи при измерении электрических, акустических и оптических величин

Дифференциальные, интерферометрические и другие методы измерений.

Нанотехнологии в измерительной технике

Дозиметрические измерения и дозиметрические единицы; коэффициенты, учитывающие влияние радиации на живые организмы, эквивалентная доза.

2. Измерения

Системы единиц. Единая система единиц (СИ). Универсальные постоянные и естественные системы единиц. Производные единицы и стандарты.

Прямые, косвенные, статистические и динамические измерения. Оценки погрешностей косвенных измерений. Условные измерения. Проблема корреляций и уравновешивание условных измерений. Принципиальные ограничения на точность измерений (физические пределы).

Методы измерений физических величин в исследуемой области физики*.

Основные принципы построения приборов для измерений физических величин в заданной области физики*.

Фундаментальные шумы в измерительных устройствах

Тепловой шум. Формула Найквиста. Теорема Каллена—Вельтона. Дробовой шум в электронных и оптических приборах. Шумы 1/f.

Квантовые эффекты в физических измерениях. Условия, когда классический подход становится неприменим.

Соотношения неопределенности. Роль обратного флуктуационного влияния прибора. Стандартные квантовые пределы. Квантовые невозмущающие измерения. Квантовые эталоны единиц физических величин (примеры). Эффект Джозефсона и сверхпроводящие квантовые интерферометры.

3. Критерии точности 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. t-распределение Стьюдента, ?₂-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.

4. Методы анализа физических измерений

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

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.

5. Моделирование физических процессов

Аналитическое описание физических процессов.

Планирование эксперимента, выбор метода и технических средств, методы оценки ожидаемых результатов и их погрешностей.

Метод статистических испытаний, методика его применения.

Использование моделей физических процессов*.

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

6. Автоматизация эксперимента

Создание комплексных установок. Общие требования. Обработка информации «в линию» (on-line).

Способы преобразования измерений для передачи на значительные расстояния.

Контроль процессов измерений в реальном времени.

Способы вывода информации в реальном времени. Накопление экспериментальных данных, создание банков данных.

Литература

• Большев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М.: 1983.
• Кендал М., Стюарт А. Статистические выводы и связи / Пер. с англ. М.: Мир, 1976.
• Боровков А. А. Математическая статистика. М.: 1984.
• Бароне А., Патерио Д. Эффект Джозефсона: Физика и применения / Пер. с англ. М.: 1984.
• Физическая энциклопедия. Т. 1-5. М.: Сов. энциклопедия, 1988-1998.
• Брагинский В. Б. Физические эксперименты с пробными телами. М.: Наука, 1970.
• Воронцов Ю. И. Теория и методы макроскопических измерений. М.: Наука, 1989.

Далее помещена более старая программа

ПРОГРАММА
кандидатских экзаменов по специальности 01.04.01 –
«Техника физического эксперимента. Физика приборов. Автоматизация физических исследований»

I .Источники частиц.

1. Ускорители заряженных частиц.

• ускорительные трубки;
• линейный ускоритель;
• циклотрон;
• бетатрон;
• синхротрон;
• фазотрон;
• ускорители с жесткой фокусировкой;
• ускорители со встречными пучками.

2. Создание пучков частиц.

• методы фокусировки частиц;
• создание сепарированных пучков частиц;
• нейтральные пучки ( , k , n);
• пучки поляризованных частиц.

3. Ядерные реакторы.

4. Радиоактивные источники.

• типы излучений;
• период полураспада;
• энергия частиц.

5. Космические частицы.

• состав;
• энергетический спектр;
• распределение по углу падения;
• ливни.

6. Элементы дозиметрии излучений.

II. Физические основы методов регистрации частиц.

1. Прохождение заряженных частиц через вещество.

• энергетические потери;
• выбивание энергичных электронов;
• излучение Вавилова-Черенкова;
• тормозное излучение;
• многократное рассеяние;
• пробег.

2. Взаимодействие-квантов.

• образование пар;
• электромагнитные ливни;
• радиационная длина;

3. Взаимодействия нейтронов.

• замедление;
• реакции с нейтронами;
• захват нейтронов.

III . Детекторы частиц.

1. Счетчики Гейгера.
2. Ионизационные камеры.
3. Пропорциональные счетчики.
4. Полупроводниковые детекторы.
5. Сцинтилляционные счетчики.
6. Счетчики полного поглощения.
7. Черенковские детекторы.
8. Газовые трековые детекторы.
9. Пузырьковые камеры.
10. Фотоэмульсии.
11. Спектрометры нейтронов.

IV. Электронная аппаратура для отбора событий.

1. Аналоговые схемы.

• линейные импульсные усилители;
• линейные пропускатели;
• расширители импульсов.

2. Аналогово-цифровые преобразователи.

• амплитудные дискриминаторы;
• преобразователи амплитуда – код.

3. Получение временной информации.

• схемы совпадений;
• измерение временных интервалов;

4. Электронные многоуровневые схемы отбора событий.

V. Применение ЭВМ в экспериментальной физике.

1. Общие вопросы использования ЭВМ.

• основные принципы применения микро-, мини- и ЕС ЭВМ;
• архитектура ЭВМ;
• операционные системы – их классификация и назначение;
• особенности операционных систем ЕС ЭВМ;
• операционные системы коллективного пользования для СМ ЭВМ;
• операционные системы и программное обеспечение микро-ЭВМ
• основные проблемы создания сетей ЭВМ (коммутация, протоколы, мат. обеспечение).

2. Автоматизация сбора и обработки информации в физическом эксперименте.

• автоматизация измерения физических величин в эксперименте;
• автоматизированные системы съема и предварительной фильтрации информации в режиме реального времени;
• использование ЭВМ в триггерных системах;
• применение многомашинных комплексов в системах обработки информации;
• языковые средства автоматизированных информационных систем;
• системы баз данных;
• принципы модульной разработки аппаратуры, техника измерения и преобразования аналоговых величин. Основы метрологии, источники статистических и систематических ошибок. Магистрально-модульныесистемы и стандарты.

3. Автоматизация обработки фильмовой информации.

• полуавтоматические приборы, связанные с ЭВМ;
• автоматическая обработка данных с пузырьковых и искровых камер;
• проблемы фильтрации данных;
• автоматическая обработка с минимальным сопровождением.

4. Программирование.

• программирование ПЗУ;
• разработка и анализ алгоритмов;
• программирование на языках низкого уровня;
• применение языков высокого уровня (Фортран-77, Паскаль, PL-1);
• сопровождение программного обеспечения;
• программирование микропроцессоров.

VI. Методы планирования эксперимента и обработки их результатов.

1. Имитационное моделирование и его применение.
2. Основы факторного анализа.
3. Регрессионный анализ и его применение.
4. Применение критериев истинности.

VII. Вероятностные методы в вычислительной технике. Надежность вычислительных систем.

1. Методы случайных величин.
2. Методы теории информации.
3. Методы теории массового обслуживания.
4. Методы статистического моделирования.
5. Надежность эргатических систем.
6. Задача оптимального резервирования и ее решение.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дж. Ливингуд. Принципы работы циклических ускорителей. М., ИЛ, 1963.
2. И. М. Капчинский. Динамика частиц в линейных резонансных ускорителях. М., Атомиздат, 1965.
3. Н. С. Диканский, Д. В. Пестриков. Физика интенсивных пучков в накопителях. Новосибирск, Наука, 1989.
4. В. П. Карташев, В. И. Котов. Методы формирования пучков частиц на ускорителях высоких энергий. М., Энергоатомиздат, 1989.
5. А. Джекобс, Д. Клейн, Ф. Ремик. Основы ядерной науки и реакторы. М., Атомиздат, 1962.
6. В. С. Мурзин. Введение в физику космических лучей. М., МГУ, 1988.
7. В. И. Иванов. Курс дозиметрии. М., Энергоатомиздат, 1988.
8. В. Прайс. Регистрация ядерного излучения. М., ИЛ, 1960.
9. Б. Росси. Частицы высоких энергий.
10. Д. Ритсон. Экспериментальные методы в физике высоких энергий. М., Наука, 1954.
11. А. И. Абрамов, Ю. А. Казанский, Е. С. Матусевич. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Энергоатомиздат, 1985.
12. Ионизационные измерения в физике высоких энергий. М., Энергоатомиздат, 1988.
13. Дж. Джелли. Черенковское излучение и его применение. М., ИЛ, 1960.
14. В. П. Зрелов. Излучение Вавилова-Черенкова и его применение в физике высоких энергий. М., Атомиздат, 1968.
15. И. И. Гуревич, Л. В. Тарасов. Физика нейтронов высоких энергий. М., Наука, 1965.
16. В. И. Калашникова, М.С. Козодаев. Детекторы элементарных частиц. 1967.
17. Приборы для регистрации ядерных излучений и их применение. М., Атомиздат, 1965.
18. Ю. К. Акимов и др. Полупроводниковые детекторыв экспериментальной физике. М., Энергоатомиздат, 1989.
19. Черенковские детекторы и их применение в науке и технике. 1990.
20. М. И. Дайон, Б. А. Долгошеин, В. И. Ефременко, Г. А. Лексин, В. А. Любимов. Искровая камера. М., Атомиздат, 1967.
21. Ю. А. Александров, Г. С. Воронков, В. М. Горбунков, Н. Б. Делоне, Ю. И. Нечаев. Пузырьковые камеры. М., 1963.
22. О. Пауэлл, П. Фаулер, Д. Перкинс. Исследование элементарных частиц фотографическим методом. М., ИЛ, 1962.
23. В. Д. Алден. Регистрация нейтронов. М., Госатомиздат, 1962.
24. Е. Ковальский. Ядерная электроника. М., Атомиздат, 1972.
25. Ю. К. Акимов, М. Н. Дражев, И. Ф. Колпаков, В. И. Рыкалин. Быстродействующая электроника для регистрации ядерных частиц. М., Атомиздат, 1970.
26. В. А. Григорьев и др. Электронные методы ядерно-физического эксперимента. М., Энергоатомиздат, 1989.
27. В. В. Матавкин и др. Быстродействующие операционные усилители. М., Радио и связь, 1989.
28. Г. С. Остапенко, Усилительные устройства. М., Радио и связь, 1989.
29. Ю. Н. Ерофеев. Импульсные устройства. М., Высшая школа, 1989.
30. Х. У. Шмидт. Измерительная электроника в ядерной физике. М., Мир, 1989.
31. Т. Майерс. Архитектура современных ЭВМ. М., Мир, 1985.
32. П. Кейлингерт. Элементы операционных систем. М., Мир, 1985.
33. Г. Н. Соловьев, В. Д. Никитин. Операционные системы ЭВМ. М., Высшая школа, 1989.
34. В. Д. Праченко, А. Г. Самбовский, М.В. Чумаков. Дисковая операционная система коллективного пользования для СМ ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1985.
35. Ч. Гилмор. Введение в микропроцессорную технику. М., Мир, 1984.
36. Р. Фаулджер. Программирование встроенных микропроцессоров. М., Мир, 1985.
37. А. И. Кузьмин, А. А. Менн, Н. В. Пономарев. Программное обеспечение локальной сети ЭВМ, взаимодействующей с реальной аппаратурой. Вопросы кибернетики, вып. 93, 1982.
38. Протоколы и методы коммутации в вычислительных сетях. Вопросы кибернетики, вып. 120, 1986.
39. Г. Г. Белоногов, Б. А. Кузнецов. Языковые средства автоматизированных информационных систем. М., Наука, 1983.
40. Г. Г. Белоногов, А. П. Новоселов. Автоматизация процессов накопления, поиска и обобщения информации. М., Наука, 1979.
41. Автоматическая обработка данных с пузырьковых и искровых камер. М., Атомиздат, 1971.
42. Ю. Ф. Певчев, К. Г. Финогенов. Автоматизация физического эксперимента. М., Энергоатомиздат, 1986.
43. С. Гудман, С. Хидетниели. Введение в разработку и анализ алгоритмов. М., Мир, 1981.
44. К. Джермейн. Программирование на IBM 360. М., Мир, 1971.
45. Ю. Л. Кетков, В. С. Максимов, А. Н. Рябов. Введение в системное программирование на языке ассемблера ЕС ЭВМ. М., Наука, 1982.
46. Н. П. Трифонов, В. И. Громыко. Программирование на автокоде ЕС ЭВМ. М., Наука, 1985.
47. Г. Катцан. Язык Фортран 77. М., Мир, 1982.
48. Программирование на ПЛ-1 ОС ЕС. М., Финансы и статистика, 1984.
49. Л. С. Зажигаев, А. А. Кишьян, Ю.И. Романиков. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., Атомиздат, 1978.
50. Р. Б.Котельников. Анализ результатов наблюдений. М., Энергоиздат, 1986.
51. В. К. Гришин и др. Математическая обработка и интерпретация физического эксперимента. М., МГУ, 1988.
52. Вероятностные методы в вычислительной технике. М., Высшая школа, 1986.
53. В. В. Губарев. Алгоритмы статистических измерений. М., Энергоатомиздат, 1985.
54. В. В. Апанасович и др. Статистический анализ случайных потоков в физическом эксперименте. М., МГУ, 1988.
55. А. И. Губинский. Надежность и качество функционирования эргатических систем. Л., Наука, 1982.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ПРОГРАММА

кандидатских экзаменов по специальности 01.04.01.
“Экспериментальная физика. Технические науки”

I. Аппаратура ядерной физики.

1.Источник пучков заряженных частиц.

• ускорители заряженных частиц;
• создание сепарированных пучков частиц;
• нейтральные пучки ( , , ).

2. Физические основы работы детекторов ядерных излучений.

• oсновные характеристики детекторов;
• газовые ионизационные детекторы;
• полупроводниковые детекторы;
• сцинтилляционные счетчики;
• трековые детекторы;
• черенковские детекторы.

3.Методы измерения кинематических параметров частиц.

• спектрометрия заряженных частиц;
• измерение энергии- квантов;
• спектрометрия нейтронов.

4.Методы измерения координат.

II. Применение ЭВМ в экспериментальной физике.

• основные принципы применения микро-, мини- и ЕС ЭВМ;
• архитектура ЭВМ;
• операционные системы – их классификация и назначение;
• особенности операционных систем ЕС ЭВМ;
• операционные системы коллективного пользования для СМ ЭВМ;
• операционные системы и программное обеспечение микро-ЭВМ;
• применение многомашинных комплексов в системах обработки информации;
• основные проблемы создания сетей ЭВМ (коммутация, протоколы,мат. обеспечение).

III. Автоматизация сбора и обработки информации в физическом эксперименте.

• автоматизация измерения физических величин в эксперименте;
• автоматизированные системы съема и предварительной фильтрации информации в режиме реального времени;
• языковые средства автоматизированных информационных систем;
• системы баз данных;
• принципы модульной разработки аппаратуры, техника измерения и преобразования аналоговых величин. Основы метрологии, источники статистических и систематических ошибок. Магистрально-модульные системы и стандарты.

IV. Автоматизация обработки фильмовой информации.

• полуавтоматические приборы, связанные с ЭВМ;
• автоматическая обработка данных с пузырьковых и искровых камер;
• проблемы фильтрации данных;
• автоматическая обработка с минимальным сопровождением.

V. Программирование.

• программирование ПЗУ;
• разработка и анализ алгоритмов;
• программирование на языках низкого уровня;
• применение языков высокого уровня (Фортран-77, Паскаль,PL1);
• сопровождение программного обеспечения;
• анализ эффективности взаимодействия человека и ЭВМ;
• микропрограммирование.

VI. Методы планирования эксперимента и обработки их результатов.

• имитационное моделирование и его применение;
• основы факторного анализа;
• регрессионный анализ и его применение;
• применение критериев истинности.

VII. Вероятностные методы в вычислительной технике. Надежность вычислительных систем.

• методы случайных величин;
• методы теории информации;
• методы теории массового обслуживания;
• методы статистического моделирования;
• надежность эргатических систем;
• задача оптимального резервирования и ее решение.

ЛИТЕРАТУРА

1. А. И. Абрамов, Ю. А. Казанский, Е.С. Матусевич. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М., Энергоатомиздат, 1985.
2. Т. Майерс. Архитектура современных ЭВМ. М., Мир, 1985.
3. П. Кейлингерт. Элементы операционных систем. М., Мир, 1985.
4. М. И. Беляков, А. Ю. Ливеровский и др. Инструментальная мобильная операционная система (ИНМОС). М., Финансы и статистика, 1985.
5. Г. Н. Лихачева, В .Д. Медведев. Операционные системы. М., Статистика, 1980.
6. С. Н.Бушуев, М. С. Бесфамильный. Программно-аппаратные методы управления данными. М., Наука, 1982.
7. В. Д. Праченко, А. Г. Самбовский, М. В. Чумаков. Дисковая операционная система коллективного пользования для СМ ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1985.
8. Ч. Гилмор. Введение в микропроцессорную технику. М., Мир, 1984.
9. Л. Левенталь. Введение в микропроцессоры. М., Энергоатомиздат, 1983.
10. М. Дамке. Операционные системы микро-ЭВМ. М., Финансы и статистика, 1985.
11. С. Д. Погорелый, Т. Ф. Слободянюк. Программное обеспечение микропроцессорных систем. Киев, Техника, 1985.
12. Р. Фаулджер. Программирование встроенных микропроцессоров, М., Мир, 1985.
13. А. И. Кузьмин, А. А. Менн, Н. В. Пономарев. Программное обеспечение локальной сети ЭВМ, взаимодействующей с реальной аппаратурой. Вопросы Кибернетики, вып. 93, 1982.
14. Процессы управления в сетях ЭВМ. Вопросы Кибернетики, вып. 105, 1985.
15. Протоколы и методы коммутации в вычислительных сетях. Вопросы Кибернетики, вып. 120, 1986.
16. К. Дейт. Введение в системы баз данных. М., Наука, 1980.
17. С. Н. Берестовая и др. Конструирование систем обработки данных. М., Статистика, 1979.
18. Г. Г. Белоногов, Б. А. Кузнецов. Языковые средства автоматизированных информационных систем. М., Наука, 1983.
19. Г. Г. Белоногов, А.П. Новоселов. Автоматизация процессов накопления, поиска и обобщения информации. М., Наука, 1979.
20. М. П. Соколов. Автоматические приерительные устройства в экспериментальной физике. М., Атомиздат, 1978.
21. Автоматическая обработка данных с пузырьковых и искровых камер. М., Атомиздат, 1971.
22. С. Гудман, С. Хидетниели. Введение в разработку и анализ алгоритмов. М., Мир, 1981.
23. К. Джермейн. Программирование на IBM-360. М., Мир, 1971.
24. Ю. Л. Кетков, В. С. Максимов, А. Н. Рябов. Введение в системное (?) программированиена языке ассемблере ЕС ЭВМ. М., Наука, 1982.
25. Н. П. Трифонов, В.И. Громыко. Программирование на автокоде ЕС ЭВМ. М., Наука, 1985.
26. Г. Катцан. Язык Фортран-77. М., Мир, 1982.
27. Программирование на PL1 ОС ЕС. М., Финансы и статистика, 1984.
28. Р. Гласс, Р. Нуазо. Сопровождение программного обеспечения. М., Мир, 1983.
29. Ф. И. Рыбаков. Системы эффективного взаимодействия человека и ЭВМ. М., Радио и связь, 1985.
30. Р. Шенон. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. М., Мир, 1978.
31. Л. С. Зажигаев, А. А. Кишьян, Ю. И. Романиков. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. М., Атомиздат, 1978.
32. Р. Б. Котельников. Анализ результатов наблюдений. М., Энергоиздат, 1986.
33. Вероятностные методы в вычислительной технике. М., Высшая школа, 1986.
34. В. В. Губарев. Алгоритмы статистических измерений. М., Энергоатомиздат, 1985.
35. Е. Ю. Барзилович и др. Вопросы математической теории надежности. М., Радио и связь, 1986.
36. А. И. Губинский. Надежность и качество функционирования эргатических систем. Л., Наука, 1982.
37. Ю. Ф. Певчев, К. Г.Финогенов. Автоматизация физического эксперимента. М., Энергоатомиздат, 1986.