Beam Production and Application

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета: ЕНМФ
____________ Ю.И. Тюрин
«_____»___________2006 г.
Получение и применение пучков заряженных частиц
(название дисциплины)
Рабочая программа для направления 010700 «Физика»
________________________________________________________________
(номер и название направления, специальности, специализации)
Факультет Eстественных наук и математики (ЕНМФ)
(полное название и сокращенное обозначение)
Обеспечивающая кафедра_Водородной энергетики и плазменных технологий
(ВЭПТ)
Курс шестой
Семестр 11
Учебный план набора 2001 года с изменениями ________ года
Распределение учебного времени
36
часа (ауд.)
Лекции
Лабораторные занятия
Практические (семинарские) занятия
Курсовой проект в
__
36
семестре
Курсовая работа в__семестре
Всего аудиторных занятий
Самостоятельная (внеаудиторная)
работа
Общая трудоемкость
часов (ауд.)
часа (сам.)
_____
54
108
162
Экзамен в семестрах
Зачет в семестре
часа (ауд.)
_11___
2006
часов (ауд.)
часа
часов
часов
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
I Предисловие
1. Рабочая программа составлена на основе ГОС по направлению 010700
“Физика” (степень магистр физики) № 177 ЕН от 17.03. 2000 г.
ОС ТПУ-07 2001 г.________________
(наименование документа университетского уровня)
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры
Водородной энергетики и плазменных технологий 24__ ноября 2005 г.
протокол № ….
2. Разработчик
Профессор каф. ВЭПТ ______________ Г.Е. Ремнев
3. Зав. обеспечивающей кафедры Водородной энергетики и плазменных
технологий, профессор_ ______________ В.П. Кривобоков
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающей
кафедрой специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедры Водородной энергетики и плазменных
технологий, профессор_ ______________ В.П. Кривобоков
Рабочая программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ЕНМФ
Председатель МК ЕНМФ
____________
Ю.В. Тюрин
Документ:
Дата разработки
__________________________________________________________________
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УДК 621.384.6 +539.12.04
Ключевые слова: ускоритель, источник пучков заряженных частиц, пучки
заряженных частиц, электрон, ион, транспортировка пучков, плазменный
канал, диагностика пучков, взаимодействие, модифицирование, абляционная
плазма, тонкая пленка, покрытие, плазмохимия, радиационная химия
плазмохимия, радиационная физика.
Аннотация
Получение и применение пучков заряженных частиц
010700 (б)
Каф. ВЭПТ ЕНМФ
Профессор, д.т.н. Ремнев Геннадий Ефимович
Тел.(3822)-419158; e- mail: remnev@hvd.tpu.ru
Цель: формирование знаний и умений для решения задач, связанных с
получением и применением пучков заряженных частиц.
Рассмотрены следующие вопросы: получения импульсных и
непрерывных электронных и ионных пучков, тормозного рентгеновского
излучения, транспортировка пучков заряженных частиц, основные процессы
взаимодействия пучков с конденсированным веществом, газами и
жидкостями, области применения пучков основанные на радиационной
физике, радиационной химии, радиационной биологии, радиационнопучковые технологии обработки материалов.
Курс 6 (11 сем  экзамен)
Всего 72 ч, в т. ч. Ауд. 72, Лк 36 ч, Пр 36 ч,.
Разработчик программы профессор кафедры "Водородной энергетики и
плазменных технологий" ЕНМФ Ремнев Геннадий Ефимович.
Тел.(3822)-419158
E-mail remnev@hvd.tpu.ru
The summary of the program on discipline "Generation and application
charged particle beams”
The content of the course: Pulse and continuous beams generation of charged
particle beams; beams transportation, beams action to materials, gas, liquid; beams
application in areas: radiotechnology, radiation chemistry, biology, materials
treatment. The program is developed by professor Gennady Remnev, The
Hydrogen Energetics and Plasma Technologies Chair of Natural Sciences and
Mathematics Department.
E- mail: remnev@hvd.tpu.ru
3
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
II Цели и задачи учебной дисциплины
В настоящее время человечество достаточно широко использует
ускорители заряженных частиц в мировой практике: медицина,
дефектоскопия,
промышленность,
полупроводниковая
электроника,
радиационно-физические и радиационно-химические технологии, экология,
водоснабжение, научные исследования и т.д. Воздействие пучков
заряженных частиц является основным способом исследования структуры
конденсированного вещества и одним из радикальных способов изменения
его физических, химических и биологических свойств, создания новых
экологически
чистых.
Энергосберегающих
технологий.
Поэтому
представителям различных специальностей, использующих в своей работе
источники пучков заряженных частиц, необходимо иметь представление о
методах генерации – ускорения заряженных частиц, типах ускорителей,
существующих и разрабатываемых перспективных технологических
процессах.
Дисциплина “ Получение и применение пучков заряженных частиц ”
является обязательной дисциплиной магистерской специальности «…..
……………………………………………».
Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при
изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Общая физика”, “Атомная
физика”, «физика твердого тела», «Взаимодействие излучения с веществом»,
«Фундаментальные вопросы физики плазмы».
Цель преподавания дисциплины: формирование физических
представлений о закономерностях получения ускоренных заряженных
частиц, типах ускорителей, областях применения ускорителей, для
применения этих знаний при работе в различных областях научной и
практической деятельности, связанной с применением пучков заряженных
частиц.
Цели преподавания дисциплины характеризующие знания и умения,
которыми должен владеть специалист:
специалист должен иметь представление:
 о методах ускорения заряженных частиц, их транспортировки, типах
ускорителей;
 об основных процессах взаимодействия импульсных и непрерывных
пучков заряженных частиц с веществом, лежащих в основе
технологических процессов;
специалист должен знать:
 параметры пучков заряженных частиц различных типов
ускорителей;
4
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 области применения ускорителей, методы
изделий из металлических материалов;
модифицирования
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих
формах деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации и ее
использовании при решении практических задач;
 практические
занятия,
направленные
на
активизацию
познавательной деятельности студентов и приобретения ими
навыков решения практических и проблемных задач;
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде специальных практических
заданий по всем разделам дисциплины;
 консультации по материалам лекций и самостоятельной работы;
 текущий контроль за деятельностью студентов осуществляется на
лекционных и практических занятиях в виде самостоятельных работ
(в соответствии с рейтинг-планом дисциплины) для оценки степени
усвоения материала;
 контроль деятельности студентов проводится в рамках
рейтинговой системы, принятой в ТПУ, при этом количество
баллов, получаемых студентом по каждому виду контроля,
определяется в соответствии с рейтинг-планом дисциплины; к
экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 500 баллов по
всем видам контроля.
III Содержание теоретического раздела дисциплины
(лекции 36 часов)
Введение (2 часа).
Основные принципы и закономерности ускорения заряженных частиц,
релятивистский и нерелятивистский случай. Генерация вторичных излучений
при взаимодействии заряженных частиц с веществом. Основные типы
электронных и ионных ускорителей. Область достигнутых параметров
частиц по энергии, интенсивности, мощности пучка. Основные области
применения пучков. Ускорители для практического применения. Понятие
технологии, технологического процесса, национальные критические
технологии.
Часть 1. Прохождение заряженных частиц через вещество
(4 часа).
Сечение взаимодействия. Упругие и неупругие взаимодействия.
Классическая теория потерь энергии на ионизацию и возбуждение
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
атомов. Связь между потерями энергии и ионизацией. Тормозное
рентгеновское излучение. Потери энергии на тормозное излучение.
Прохождение рентгеновского излучения через вещество. Биологическая
защита ускорителей. Ядерные взаимодействия ионов. Типы ядерных
взаимодействий заряженных частиц. Выход ядерной реакции. Генерация
нейтронных потоков.
Часть 2. Резонансные ускорители и их применение (2 часа).
Линейные и циклические ускорители. Ускорение в поле бегущей и
стоячей волны. Ускоритель Видерое. Ускоритель Альвареца. Ускоритель с
бегущей волной. Циклические ускорители. Синхротроны. Синхротронное
излучение. Использование синхротронного излучения для анализа.
Применение ускорителей в ядерной физике и медицине.
Часть 3. Бетатрон (2 часа).
Особенности движения электрона в электромагнитном поле
бетатрона. Электромагнитное поле бетатрона – открытая электромагнитная
ловушка. Условие заполнения фазового пространства электронами в
магнитной ловушке бетатрона. Адиабатические варианты в процессе
ускорения. Основные энергетические соотношения в бетатроне. Применение
бетатронов.
Часть 4. Ионные источники – ускорители (6 часов).
Физика плазмы ионных источников, плотность, температура,
функция распределения, плазменная частота, влияние магнитного поля,
давление плазмы, ионизация. Извлечение ионов, законы масштабирования
напряжения для тока и яркости пучка, специальные извлекающие системы.
Транспортировка пучков, оптика пучков, уравнение параксиального луча,
фокусировка, транспортировка пучков в собственных полях, нейтрализация
объёмного заряда. Неламинарные пучки, теорема Лиувилля, эмиттанс и
яркость. Источники ионов металлов. Микроволновые ионные источники.
Газовые источники ионов. Пеннинговские источники с холодным и горячим
катодом, получение многозарядных ионов. Фримановские ионные
источники. Ионные источники на электронном циклотронном резонансе.
СВЧ ионные источники. Ионные источники с электронным пучком.
Пучково-плазменные ионные источники. Лазерные ионные источники,
жидкометаллические ионные источники. Ионные источники с вакуумной
дугой. Источники отрицательных ионов.
6
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Часть 5. Применение ионных пучков (4 часа).
Разделение изотопов. Методы анализа на основе ионных
ускорителей. Резерфордовское обратное рассеяние. Характеристическое
рентгеновское излучение. Ожэ-электронная спектроскопия.
Масспектрометрия вторичных ионов. Пробеги ионов в твердом теле и их
распределение, каналирование. Радиационные эффекты,
дефектообразование, разупорядочение, аморфизация. Ионная имплантация в
полупроводники, процессы при равновесном и импульсном отжиге,
самоотжиговые режимы имплантации. Модифицирование металлических
материалов ионной имплантацией, дефектообразование, изменение свойств.
Распыление твердых тел, основные закономерности и механизм распыления.
Осаждение пленок.
Часть 6. Электронные ускорители и их применение (6часов)
Высоковольтные ускорители электронов. Линейные ускорители
электронов для промышленного применения. Вывод пучка в атмосферу.
Низкоэнергетичные ускорители электронов с плазменным катодом.
Ускорители с полым катодом.Электронно-лучевая плавка. Электроннолучевая сварка. Термическая злектронно-лучевая обработка. Применение
электронных пучков в радиационной физике. Радиационная химия с
использованием электронных пучков, радиационное отверждение полимеров,
радиационная сшивка и упрочнение полимеров, радиационно-термический
крекинг углеводородов. Очистка газов, воды и стоков. Применение пучков в
радиационной биологии, деструкция биологических материалов,
стерилизация.
Часть 7. Мощные импульсные электронные и ионные ускорители
(6 часов).
Параметры пучков. Определение мощных пучков заряженных
частиц. Взрывная эмиссия электронов. Плоский диод, закон ЧальдЛенгмюра. Стационарное состояние коаксиального диода. Движение
электронов в электромагнитном поле. Формирование виртуального катода.
Распространение сильноточных пучков в плазме и вакууме. Транспортировка
электронных пучков в нейтральном газе. Принципиальная схема
формирования импульсных напряжений нано- и микросекундной
длительности, генераторы импульсных напряжений, формирующие и
передающие линии, коммутирующие приборы сильноточных ускорителей.
Магнитоизолированные передающие линии Субнаносекундные ускорители.
Импульсные электронные ускорители наносекундной длительности.
Ускорители микросекундной длительности. Импульсные электронные
ускорители с полупроводниковым прерывателем тока. Низкоэнергетичные
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
электронные пучки микросекундной длительности. Диодные системы для
формирования мощных ионных пучков. Формирование плотной плазмы на
аноде. Плазмонаполненные диодные системы. Диодные системы с магнитной
самоизоляцией и внешней магнитной изоляцией. Транспортировка ионных
пучков. Коллективное ускорение ионов.
Часть 8. Применение мощных импульсных электронных и ионных
пучков (4 часа).
Взаимодействие мощных импульсных пучков заряженных частиц с
металлическими материалами, основные закономерности и механизмы
модифицирования материалов. Изменение свойств металлических
материалов. Кратерообразование. Импульсная абляция, распространение
абляционной плазмы. Осаждение пленок из абляционной плазмы. Пучковоэрозионная обработка материалов. Применение пучков для реактивных
движителей. Получение наночастиц. Особенности применения пучков в
неравновесной плазмохимии, цепные плазмохимические процессы.
Получение наночастиц оксидов. Применение импульсных электронных
пучков в радиационной химии и биологии.
IV Содержание практического раздела дисциплины
(практические занятия 36 часов)
1. Расчет биологической защиты ускорителя
-8ч
2. Формирование высоковольтных наносекундных импульсов
-6ч
3. Измерение импульсных напряжений и токов, диагностика пучков
-6ч
4. Закон Чайльд – Ленгмюра
-6ч
5. Взаимодействие импульсных мощных ионных и электронных пучков с
металлами
-6ч
6. Пробег ионов в твердом теле
-4ч
Для каждой практической работы разработаны специальные задания с
теоретическими вопросами и задачами. Задачи решаются во время занятий.
Объем заданий определяется временем, отведенным студенту учебным
планом. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и
получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы,
принятой в ТПУ.
8
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
V. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. В.А. Грибков и др., под ред. Калина Б.А. Перспективные радиационнопучковые технологии обработки материалов.
2. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей.
Т.3 Линейные ускорители. М.: Энергоиздат, 1981, 1999с
3. Физика и техника мощных импульсных систем. Сборник статей. Под
ред. Велихова Е.П. М.: Энергоатомиздат, 1987. 352с.
4. Незлин М.В. Динамика пучков в плазме. М.: Энергоиздат, 1982.-264с.
5. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М.:
Физматгиз, 1958.
6. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968. –
244.
7. Физика и технология источников ионов. Сборник статей под ред. Я.
Брауна. Пер. с англ. М.: Мир, 1998, 496с.
8. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в
вакууме. Новосибирск: Наука, 1984, 256с.
9. Сливков И.Н. и др. Электрический пробой и разряд в вакууме. М.:
Атомиздат, 1966.
10.Черепнин Н.В. Сорбционные явления в вакуумной технике. М.:
«Советское радио», 1973,384с.
11.Тамм И.Е. Основы теории элетричества. М.: Наука, 1989.
12.Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике,
Т.5 (Электричество и магнетизм), Т.6 (Электродинамика). Пер с англ.,
под ред. Смородинского. М.: Мир, 1966.
13.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.
Электромагнитное поле. М.: Высшая школа,1986.
14.Говорков В.А., Купалян С.Д. Теория электромагнитного поля в
упражнениях и задачах. М.: Высшая школа, 1963.
15.Арцимович Л.А. , Лукьянов С.Ю. Движение заряженных частиц в
электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1972.
16.Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. Пер. с англ. , под ред.
Дыхне А.М. м.* Мир, 1975.
17.Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.:
Атомиздат, 1979, 320с.
18.Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург. Наука, 1993.
19.Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки
большого сечения. М.: Энергоиздат, 1984.
9
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
20.Диденко А.Н., Григорьев В.П. , Усов Ю.П. Мощные электронные
пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977.
21.Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М.:
Энергоатомиздат, 1984, 152с.
22.Ремнев Г.Е. и др. Источники мощных ионных пучков для
практического применения. Известия высших учебных заведений.
Физика, 1998г., с.92-110.
23.Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных
частиц. М.: Мир, 1984.
24.Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.:
Советское радио, 1974.
25.Вахрушин Ю.П., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители.
М.: Атомиздат, 1978.
26.Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей.
Т.3 Линейные ускорители. М.: Энергоиздат, 1981, 1999с.
27.Черепин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной
технике. М.: «Советское радио», 1967.
10