\documentclass{jarticle}               % 絶対に必要なおまじない
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\title{ 物理学実験III}                        %
\author{高嶋隆一\thanks{高嶋研}\\       %\\は強制改行
京都教育大学}

\begin{document}
\maketitle

\vspace{2cm}                    %空白を作る
%\tableofcontents                %目次を付けたいならこのように

\section{はじめに}              %\section, \subsection, \subsubsection
物理学実験IIIでは、実験を自分で考えながら行うこという点を重視する。テー
マは6つ行う。テーマ毎にレポートを作成し、2週間毎に発表する。レポートは実験
の目的、方法、結果、考察、まとめ、参考文献等の項目をつくりまとめること。実験目的、方法につ
いても、自分で思い付いた課題があれば加えたり、示された手続きのうち必要ない
と思えばけずっても良い。できればplatexを使用してレーポートを作成することが
望ましい。自分でノートパソコンを買った人はwindonwsにいれてもよい。またノー
トパソコンのハードディスクを分割してLinuxをいれてもよい。

本実験では発展する現代の科学と教員養成と理科系大学基礎教育の間の橋渡しをするこ
とを視野に入れて課題を構成することをこころがけている。少し難しい面があれば、
実験する人の問題意識で、課題の変更も考える。この他にも行い
たい実験があれば提案すること。

 今年度は新たな実験機材として、波高分析装置、インターフェース社PCI4301の
 GPIBインターフェース2台、USB接続の6台のデジタルボルトメーターがある。こ
 れらを使った実験を新たに考えて欲しい。酸化物超伝導体の実験、ショ 糖の旋
 光性の測定。マイケルソン干渉計による気体の屈折率の測定などもテーマとし
 てはあります。

\newpage   
\section{過冷却の実験}
デジタルマルチメーターを使った温度計測プログラムを使って冷蔵庫のなかの水の温度を計測する。
\subsection{準備}パソコン(ボードつき)、温度計測器、恒温そう、水
\subsection{実験方法}
ケースレー195Aを使って温度計測ができるようにする。センサーを水をいれたスチロール樹脂に入れて恒温そうに入れる。凍る前に取り出してふると瞬間的に凍るかどうかを
しらべよ。
\subsubsection{測定プログラムの解説}
keisankiというフォルダ中ののhelloというフォルダを開く。この中のhelloとい
うファイルがソースファイルである。これをダブルクリックするとVisual C++の
開発環境が立ち上がる。プログラムはC言語で書いてあるがやっていることは単
純である。まずGeneral Purpose Interface Bus略してGPIBを初期化してやる。
このGPIBの関数ライブラリの解説はCONTECW95￥Gpib5tdというヘルプファイルに
詳しく書かれているのでこれを見ながら以下の文を読んで欲しい。Visual C++の
開発環境ビルドメニューの設定のところでリンクのライブラリ名に
apiGpib1.lib, apiGpiib2.lib, apiGpib3.lib, apiGpib4.lib が含まれていない
とコンパイルできないので注意する。このコードhello.cは高嶋のWikiページに
アップロードした。 
\subsubsection{測定方法}
サーモスコープの電源を入れて、水の冷却を開始する。設定温度はできるだけ低
くしておく。温度が5度ぐらいになったらプログラムを開始して、記録をはじめ
る。30分ぐらいの計測で冷却の様子がわかる。これをカレイダグラフを使ってグ
ラフにプロットする。
\subsection{考察のヒント}
過冷却で安定する温度はいくらの範囲となるか?凍るときに温度が上がるのはなぜ
か。
\newpage                        %強制的にページを変える時
                  
\section{宇宙線の観測と計数}
プラスチックシンチレータを使って宇宙線の観測と計数を行う。計数を行うため
の信号処理、回路モジュールについて学ぶ。
\subsection{準備}フォトマル用高圧電源、プラスチックシンチレーションカウンター、オッシロスコープ、NIM電源BIN、ディスクリミネーター、カウンター、デジタルボルトメーター、時計ドライバー
\subsection{実験方法}
プラスチックシンチレーションカウンターの信号をオシロスコープで観測する。光
電子増倍管のアノードA1,A2のどちらか一方には50オームのターミネーターがささっ
ている必要がある。ケーブルを接続する場合は50オームの細いケーブルを使うとき
は、外すときにスリーブを持って行う必要がある。ケーブルのロック機構について
前もって良く見ておくこと。宇宙線の信号と、光
電子増倍管の信号の違いについて、オシロスコープで確認する。トリガーレベルと、
時間軸ノブ、電圧ノブを調整して、信号を見る。信号は負極性で、立上り時間が
20nsec程度である。信号のピーク電圧は数百mVである。高電圧を徐々に
1.7KVまでかけていって信号が大きくなってくることを確認する。

ディスクリミネーターに、光
電子増倍管の信号を接続し宇宙線のみを計数するように、スレッシュホールドレベ
ルを調整せよ。通常は100mV程度であることが多い。ディスクリミネーターの出力
パルスは立上りの速い負極性の600mV程度のパルスである。このパルスのことを
NIM信号と呼ぶ。これはECL(Emitter Coupled Logic)信号のベースラインを0Vになるように移動したものであ
る。この信号を計数回路に接続し10秒あたりの宇宙線の数を20回程度計数せよ。

また計数の信頼性を調べるために左右の信号をディスクリミネーターに入力し、
左右の信号の同時計数をコインシデンス回路というものを使うことによって行え。
このとき、コインシデンス回路に入力される片方の信号を遅らせることによって
同時計数の値がどう変わるかを調べよ。


\subsection{考察のヒント}
光電子増倍管の仕組みについて文献で調べること。高電圧は負極性である。光電子
増倍管の出力パルスが負極性であることの理由を述べよ。プラスチックシンチレー
ターの発光機構について調べよ。荷電粒子と物質の相互作用について調べよ。
地上で観測されるのはミューオンと呼ばれる粒子である。これについて調べよ。
よくつかわれる電気パルスにはTTL(Transister Transister Logic)信号とECL信号があるがこれについて文献で調べ
よ。

\newpage
\section{分光スペクトル装置による光のスペクトルの観測}
物理第三実験室の分光スペクトル装置を使い、光のスペクトルの観測を行う。分
光分析の出力は微小なので、光電子増倍管を使う。光電子増倍管は強い光をいれ
ると劣化するので、迷光がはいらないように注意する。
\subsection{準備}計算機とPC-LINK、三和デジボル、分光器、光電子増倍管、電
流計測装置、光源


\subsection{実験方法}

分光器は手動で分光操作を行う。1nmステップでPC-LINKで記録する。リターンで
記録されるようになっている。
\subsection{考察のヒント}
光源として、紫外光源のスペクトルなど、未知のスペクトルを測定することが望ましい。


\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{パルス発生器と伝送線の実験}
情報技術において重要なことの一つにパルス信号をいかに高速に高い信頼性で伝えうる
かということがある。パルス信号を伝える伝送線
のインピーダンスについて学ぶ。
\subsection{準備}テクトロニクス デジタルスコープ、パルス発生器、10mケーブ
ル、5mケーブル、
終端抵抗(0オーム,50オーム等)、シグナルデバイダ
\subsection{実験方法}
パルス発生装置からTTL信号にレベルを会わせた信号を発生させる。これは0V、
5Vからなる信号のことである。これをシグナルデバイダでふたつに分割し片方をオ
シロスコープで観察しもう片方に10mケーブルを接続する、オシロスコープのもう
一つの入力には分岐コネクタを接続し、50オーム、0オームの終端抵抗を入れた場
合、開放した場合のシグナルを観測する。5mのケーブルをつないでから同様に抵抗
を入れたときの信号を観測せよ。

同軸ケーブルの、容量とインダクタンスを測定する。LCRメータの電源を入れる
と容量をはかるモードになる。画面にはC$_p$と表示されている。容量なので終
端は開放のままはかる。次にインダクタンスを測定する。左側上の列のMeas Ptmtrボタ
ンを押して、測定モード選択画面にする。次にL$_s$と表示されるところが点滅
するように右の方にあるカーソルキーを押す。エンターキーを2回押すとL$_s$測
定モードになる。終端を短絡ができるようになっているコネクターを取り付けて
インダクタンスを測定する。この二つの値を使って、ケーブルの中を伝わるパル
スの速度$v_c$と特定インピーダンス$Z_c$を求めよ。これらについては「物理の
ためのエレクトロニクス」p178に解説がある。これらは以下の式のようにあら
わされることがしられている。
\[
v_{c}=\frac{1}{\sqrt{LC}},Z_{c}=\sqrt{\frac{L}{C}}
\]

\subsection{考察のヒント}
信号ケーブルのインピーダンスはどのように決まっているのか。またインピーダン
スはケーブルの単位長さあたりのインダクタンスと容量で決まっているがこれを測
るやりかたを考察せよ。


\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{測定器シミュレーターGEANT4と物体モデリング}
\subsection{概要}
GEometry ANd Transport 4はC++でかかれた測定器シミュレーターである。使用
者は例題を変更して使い方を学ぶ。この例ではgeant4.3.0/examples/N02をかえ
てmy02を作成した。これを使って、大規模なツールキットの使用法を学ぶ。物体
モデリングはathena環境のv-atlasと言うスクリプトを利用する。
\subsection{目的}計算機シミュレーションの実際的なり用法に触れる。
\subsection{準備}119号室のhepatx1をlinuxで使用
\subsection{実験方法}
\begin{verbatim}
My02DetectorConstruction.cc :測定器の材質、大きさ、配置の決定、測定場所SD
My02DetectorMessenger.cc 
My02EventAction.cc ：イベントの最初の処理
My02MagneticField.cc
My02PhysicsList.cc ：物理プロセスの定義 N02に加えてN04のハドロンプロセスを付加
My02PrimaryGeneratorAction.cc ：粒子を飛ばす向きの設定
My02RunAction.cc ：ランの最初の処理
My02SteppingAction.cc
My02SteppingVerbose.cc ：Verbose(冗長)パラメータに応じた出力の記述
My02TrackerHit.cc ：Sensitive Detectorから情報をもらって描画、値の出力
My02TrackerSD.cc ：測定器としての動作の記述、Hit情報、物質へのエネルギー付加量の取得
My02VisManager.cc
\end{verbatim}

\newpage
\section{半導体素子の物理}
\subsection{概要と目的}
現代の情報科学の発展を支えているのは、半導体素子を利用する技術の発展であるといえる。半導体素子の諸特性を計測し、半導体に関する物理法則を学ぶ。

\subsection{準備}
パソコン(buatx5,Linux)、LCRメーター、Keithley2000デジタルマルチメーター、バイアス電源、GPIBプログラマー(電源制御用)など

\subsection{実験方法}
CMOS半導体の動作原理は表面にキャリアーの存在しない空乏化領域を作ることに
よって電気伝導度を変えることにある。この実験ではPINダイオードの空乏化の
厚みと電圧の変化でキャリアー濃度を推定する実験を行う。
PN接合のダイオード素子に逆電圧を付加し、逆電圧を変化させながら、P側とN側
の間の静電容量を計測する。又この測定を静電容量を図るときの交流の周波数を
変えながら行う。

プログラムのディレクトリは~jikken3/gpib/tkgp。この中のスクリプト
cvtest.tclが計測のスクリプトである。

実験は半導体検出器(PINダイオード）の逆バイアスを変化させ、もれ電流と、容量を
計測する。逆バイアスをかけるとき、容量計に電流が流れ込まないように、容量
計はAC接続する。

\subsection{考察のヒント}
計測に使用した半導体検出器で放射線計測を行う。
バイアス電圧を変えていくと接合容量が一定となることが分かる。これは何故か。
厚みを200$\mu$としたときのシリコンのドナー濃度はいくらぐらいか。



\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{電子回路教材を使った実験}
現代の科学技術は電子回路技術にの発展によるところが大きい。基礎的な回路技術
を実習すること無しに、実際の研究の場で使われている測定器の開発研究を行うこ
とはできない。電子回路教材に載っている、いろいろな回路についての実験をおこ
なう。とくにフリップフロップはもっとも基礎的なデジタル回路の要素となって
いるので詳しく調べておく必要がある。
\subsection{準備}オッシロスコープ、ブレッドボードまたは回路実験キットと指
導書
\subsection{実験方法}

フリップフロップ回路の作成と解析。電子回路実習の中で良く出てくるフリップフ
ロップ回路について実際に作ってみて動作を学ぶ。

単安定マルチバイブレータを使ったパルス回
路の作成。発振回路はデューティ比(onの時の周期に対する比)が50％になるがこれでは回路実験には不向きで
ある。デューティ比を変える方法を考えること。

\newpage                        %強制的にページを変える時
\section{ダイオード電流の温度依存性}
トランジスターの特性は温度によって変化する。これは半導体のキャリアー濃度
が温度があがると増加することによる。恒温槽を使い、温度を変化させて、ダイ
オードの電流が温度の増加にともなって増えることを調べる。電流は抵抗の両端
の電圧計測によって調べる。
\subsection{準備}恒温槽、デジタルボルトメータ2台。
\subsection{実験方法}

ブレッドボード上に計測のための回路をくんで、計測装置に接続する。恒温槽の
温度を0度から40度まで変化させる。ブレッドボードのプラスチックが溶けない
ようにすることが必要。
\subsection{考察のヒント}
実験の結果とエバース・モル モデルについて比較して考察せよ。トランジスタ
技術2006年7月号を参考にすること。


\newpage 
\section{ガンマ線のエネルギースペクトルの観察}
\subsection{準備}コバルト60密封線源、NaI結晶放射線検出器、豊伸電子マルチ
チャンネルアナライザー(MCA)、ノートパソコン
\subsection{実験方法}
密封線源を線源ホルダーにセットする。検出器をデシケータから取り出し、ケー
ブルを接続する。検出器に高電圧を(800V)をセットする。オッシロスコープでパ
ルスを観察する。信号の接続作業をするときは高圧を落として行う。信号線は高
圧に帯電している。
\subsection{考察のヒント}

ガンマ線が単一のエネルギーを持っていることについて考察する。光電ピーク、
コンプトンエッジについて調べる。

\newpage 
\section{電気分解、電池、メッキなどでの電流と析出物質の質量}
\subsection{概要と目的}
電気分解、電池、メッキなどでの電流と析出物質の質量の間にはファラデーの法
則と呼ばれる比例関係があることが分っている。素電荷を1.6e-19[C]とすると、
流れた電流と時間の積が移動総電荷量で、素電荷を1.6e-19[C]でわると移動電子
数がわかる。析出物質の価数と原子量がわかると、数値的なファラデーの法則の
確認が出来る。
\subsection{準備}
さんご実験セット、またはサンワPC-Link,亜鉛板、銅版、ビーカー、電子ばかり、
導線
\subsection{実験方法}
ボルタの電池を構成し、電流の流れた時間と量の積が計算できるようにする。銅
板に亜鉛が析出するはずなので、銅板と亜鉛板の重さを実験の前後で計測する。
\subsection{考察のヒント}
亜鉛の価数は2価。水の電気分解でも同じことが出来る。その場合は温度と体積
の測定が必要になる。
%\newpage                        %強制的にページを変える時
%\section{ストロボ発光装置を使った弦の振動の可視化の実験}
%振動や波動現象の理解は物理学の理解にとってかなり障害になる。ストロボ装置を
%使うことによって弦の振動を分かりやすく示す方法を研究する
%\subsection{準備}
%ストロボ発光装置、音響共鳴箱、おもり、オッシロスコープ、マイクロホン
%\subsection{実験方法}
%弦を張った音響共鳴箱のおもりを変えることにより、弦の張力を変化させて音の周
%波数がどのように変化するかを調べよ。
%\subsection{考察のヒント}
%基本振動や倍振動がどのように発生するかを調べる。共鳴箱が弦の振動に共鳴する
%条件を調べる。
\section{その他}
酸化物超伝導体の実験、ショ 糖の旋光性の測定。マイケルソン干渉計による気
体の屈折率の測定など、機材のあるものから実験課題を作成する。
%\begin{quote}
%http://wsunix.kyokyo-u.ac.jp/~takasima/index.html
%\end{quote}


%\begin{figure}
%\includegraphics{current.eps}
%\caption{ボルタの電池の電流の温度依存測定装置}
%\label{borta}
%\end{figure}

\begin{thebibliography}{99}
\bibitem{sakamoto} 坂本、高エネルギー屋のためのユニックス入門
\bibitem{takahashi} 早野、高橋、計算物理、共立出版
\bibitem{hirata2} 平田、パソコンによる物理計測入門、共立出版
\bibitem{tokari} 戸狩、津坂、パソコン計測制御とインターフェース活用法、
	技術評論社
%\bibitem{fukushima}福島、芝原、ブラウン運動の簡単な観察法、フォーラム理科教育 No.1 p49-53
\end{thebibliography}
\end{document}