物理电子学导论(已完结)

这学期选修了近代物理系的《物理电子学导论》,在这里做一下课堂记录

第一讲 粒子物理电子学

粒子物理学(Particle physics)是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。

由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现,物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们,因此粒子物理学也被称为高能物理学。目前已发展出基于夸克模型的基本粒子表。

在探测时为了精度,从原子到质子中子再到使用尺度更小的粒子作为探针。

高能粒子的研究物理条件包括:

  1. 粒子加速器
  2. 探测器:(1)固定靶;(2)对撞

磁场:测量电荷、动量 电子(electronics)系统主要包括:

  1. particle detector
  2. triggering
  3. data-acquisition system
  4. accelerator and beam instrumentation

主要特征:

  • 信号快,ns或亚ns数量级
  • 随机性
  • 工作环境,处于高电场、高磁场、高本底噪声
  • 信号通道数大,千万数量级
  • 高速高精度的要求
  • 原始数据量大、持续,并且包含本底,无法全部存储处理
  • 大量数据的高速传输,120Gbps
  • 大量数据的存储处理
  • 高可靠性,长期使用(10年为周期)

详细内容可见《高等核电子学


第二讲 微电子学

主要资料连接

这次的主题倒是和我本科所学专业相近,所以听来索然无味

授课开始,无非是从1947第一个三极管开始,transistor=trans+resistor(可变电阻),到moore定律的三种形式,再到恒定电压(CE)缩小规则。

ASIC:application specific integrated circuits PCB、FPGA和ASIC的区别 开发流程:从原理图设计到前仿真,layout连接设计与制造,版图的DRC、LVS再到整体版图的RCX,再到后仿真最后流片。

或许导论课就是这样,对于内行听来索然无味,对于外行倒是可以了解大概。

这节课的收获或许是开场的一些关于邮箱的题外话,稍正式的交流的邮箱选择,使用单位(学校)邮箱,注意命名、主题和正文的书写,签名。


第三讲 核与粒子物理实验中的数据读出

主要讲了读出电路的拓扑结构,集中式和分布式的数字化处理,更偏向计算机接口。

大数据概念近来很火,但早在核物理实验中,对于海量数据的处理早已广泛应用。

以PCI、PCI-E为主的高速计算机接口的应用,使得海量数据的处理得以实现。现代物理实验一方面重在探测器、加速器的设计制造,另一方面外围信号读取电路、信号处理技术的高速发展,同样也促进科技进步。


第四讲 地震电子学

用于地球物理的电子学测量,依旧是老话,物理电子学,物理是定于,电子学是主体。在地质勘探方面有重力法、磁力法、电法、地震法(弹性波)。

前端电子学主要有探测器、模数转换、数字传输等方面,后端则包括数据存储、数据处理。提到了后端电子学主要看重的三个指标:

  1. 功耗;
  2. 存储;
  3. 同步。

在对比SSD和HDD存储方面,提到了RAID技术,目前已经成熟并广泛应用。但他打了一个比喻,父母希望孩子又漂亮又聪明,但如果不漂亮或许聪明一点、不聪明或许回漂亮一点,但如果既不漂亮又不聪明该如何。在地质探测的数据方面,由于数据的特殊性,针对具体问题具体分析,创造性的提出了合适的数据结构,解决了数据的传输和存储的问题,相比于单纯使用SSD或HDD组成RAID有了很大的提升。或许既不漂亮、也不聪明,但也在合适的环境中,解决了问题。


第五讲 量子通信技术简介

首先介绍量子通信技术面对的需求是信息安全,然后介绍经典密码学主要有AES(Advanced Encryption Standard)和基于大数分解的RSA。

一次性密码本(One Time Pad,OTP)在经典密码学中,当密文太长时,并不实用,无法有效分发。 于是基于量子力学原理的量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)出现了。

QKD主要有以下特点:

  • 不可克隆
  • 不可分割
  • 一次一密
  • 量子测量特性

最早也是最著名的QKD是Charles H. Bennett和Gilles Brassard在1984年提出的BB84。 理论上任何具有二能级的量子系统都可以用于量子信息,但目前主要使用光子作为量子。

可以使用光纤传输,但距离有限,也可以使用卫星,在自由空间传播。 而在量子通信系统中,单光子探测器十分重要。一般使用1550nm的光,并且接受频率在1ns(对应带宽1GHz)左右。 单光子探测器的主要指标有:

  • 探测率
  • 暗计数
  • 后端计数概率
  • 时钟分辨率

主要单光子探测器种类有:雪崩光电二极管(avalanche photodiode,APD),超导纳米线单光子探测器(SNSPD),频率上转换探测方式等。 而APD一旦雪崩会持续产生电流,为了使探测器工作在盖革模式,可以串联一个电阻。

外围电路的设计有:门控方式、射频延迟线方案、正线门控+滤波、正线门控+谐波消除、自查分等方式。 最后介绍了,该组设计的纳米结构APD,APD通常需要较厚的本征层,而不可避免的缺陷,会引起暗计数,通过制作较薄的本征层,另一方面在表面制作凹凸不平,小于光子波长的微纳结构,使入射光散射达到增加吸收的目的。


第六讲 量子计算

科目二看考场,翘了


第七讲 激光等离子体相互作用

这一讲由于老师原因,内容更加偏重物理,而不是电子学方面。 使用iPad进行了课堂笔记,见附件


第八讲 纳米技术及纳电子学

开场白本次讲座非本人研究方向,仅作为文献总结和介绍。

纳米作为度量单位,10^-9 m

纳米技术可以分为:材料、加工和表征技术。

随着微电子技术的发展,纳电子技术是可能作为接替的新技术之一。

利用的效应也无外乎各种量子效应,量子电阻、量子电容(库伦阻塞)、隧道效应等。 最后又提到了Si→C。

属实有点无聊,浪费了一个美好的周三下午。


第九讲 激光技术及应用

主要讲了激光显示技术,具有以下优点:

  • 色彩丰富,色域广
  • 亮度高
  • 光功率高,反面散热问题

相关的技术有:

  • 小色域到大色域的非线性映射
  • 多基色显示(与过高成本的平衡)
  • 散射光抑制

显示技术的变更有过电子墨水、CRT、背光LED、LED、投影仪、激光电视(仅有蓝色激光,激发荧光粉产生绿光和红光)。激光投影显示技术是以红、绿、蓝(RGB)三基色激光为光源的显示技术。 为了抑制散射光影响,需要匀场整形。

光调制器可以分为时间调制和空间调制。

硅基液晶(LCOS)技术,反射式投射效率高。 数字光处理(Digital Light Processing,DLP)介绍了两种数字微镜(digital micromirror device,DMD)、光栅光阀(grating light valve,GLV)。

使用超光激光(fs、ns级别) 避免连续激光引起的热传导造成切口变形,超快激光切口无毛刺、切口平整 (?)柱矢量模(cylindrical vector beam,CVB) 聚焦后光斑比先偏光小


第十讲 核电子学

科目三训练,翘了

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