Физические основы диагностики

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ
(ФАНО РОССИИ)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный
институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Принято на Ученом совете
ОИВТ РАН
Протокол №2 от 29.06.2015
«Утверждаю»
Директор ОИВТ РАН
______________ академик Фортов В.Е.
«______»______________2015 год
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
«Физические основы диагностики низкотемпературной плазмы»
направление подготовки: «Физика и астрономия» код 03.06.01
(направленность – Физика плазмы)
Квалификация
Исследователь, преподаватель-исследователь
Москва
2015
2
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч.:
Лекции
3 зач. ед.
32 часа
Практические занятия
нет
Лабораторные работы
нет
Индивидуальные занятия с преподавателем
нет
Самостоятельные занятия
52 часа
Итоговая аттестация
зачет 2 курс – 8 часов,
экзамен 3 курс – 16 часов
ВСЕГО
3 зач. ед., 108 часов
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель дисциплины – Целью освоения дисциплины «Физические основы диагностики
низкотемпературной плазмы» является формирование базовых знаний по физическим основам диагностики низкотемпературной плазмы для дальнейшего использования в других областях физического знания, дисциплинах естественнонаучного содержания и научноисследовательской работе; формирование физической культуры, исследовательских навыков и
способности применять знания на практике.
Задачами данного курса являются:



формирование у обучающихся базовых знаний по физическим основам диагностики
низкотемпературной плазмы;
формирование общефизической культуры;
формирование умений и навыков применять полученные знания для решения физических задач, самостоятельного анализа полученных результатов;
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП АСПИРАНТУРЫ
Дисциплина «Физические основы диагностики низкотемпературной плазмы» относится к вариативной части цикла Б.1.В.ОД.4 кода УЦ ООП и принадлежит к типу «b» по характеру освоения, т.е. должна быть освоена аспирантом обязательно, но не обязательно в период
обучения, отмеченный в базовом учебном плане.
3
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Освоение дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме»
направлено на формирование следующих универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
а) универсальные (УК):
 способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том
числе в междисциплинарных областях (УК-1)
 готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3).
 способность планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
б) общепрофессиональные (ОПК)
 способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1)
в) профессиональные (ПК)
 способность к самостоятельному проведению научно-исследовательской работы и получению научных результатов, удовлетворяющих установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности «Физика плазмы» (ПК-2)
4. КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной
плазме» обучающийся должен:
1. Знать:
 физические основы диагностики макрочастиц в низкотемпературной плазме;
2. Уметь:
 объяснять принципы диагностики макрочастиц в низкотемпературной плазме;
 представлять область применимости методов диагностики и их экспериментальную реализацию;
3.
Владеть:
 различными оптическими и зондовыми методами диагностики макрочастиц в низкотемпературной плазме;
5. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
1. Определение параметров макрочастиц в низкотемпературной плазме
из измерений рассеяния и поглощения света.
Количество
часов
15
4
2. Лазерные методы диагностики макрочастиц в низкотемпературной
плазме.
13
3. Определение средних размеров, концентрации и показателя преломления макрочастиц в низкотемпературной плазме методом апертурной
прозрачности.
18
4. Спектрорадиометрический метод определения параметров макрочастиц в низкотемпературной плазме
20
5. Комплекс диагностики низкотемпературной плазмы с макрочастицами
18
ВСЕГО (часов)
84
Вид занятий
Лекции:
№
п.п.
Трудоёмкость
в зач. ед.
(количество
часов)
Темы
1
Основные положения теории элементарного рассеяния света
5
2
Метод оптической визуализации макрочастиц.
4
3
Метод апертурной прозрачности.
7
4
Определение температуры макрочастиц с использованием аппроксимаций спектральной излучательной способности.
9
5
Диагностический комплекс.
7
ВСЕГО (часов)
66 часов
Лабораторные занятия: нет
Самостоятельная работа:
№ п.п.
Темы
Трудоёмкость
(количество часов)
1
- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из
лекций, результаты контролируются преподавателем на
лекционных занятиях, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной
программой, методические пособия.
66 часов
2
- решение задач по заданию преподавателя– решаются
задачи, выданные преподавателем по итогам лекционных занятий и сдаются в конце семестра, используются
конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также сборники задач,
включая электронные, учебно-методические пособия.
60 часов
5
3
-подготовка к зачету и экзамену
ВСЕГО (часов)
24 часа
150 часов
6
Содержание дисциплины
№ Название
п/п модулей
1
2
3
Разделы и
темы лекционных
занятий
I
Определение параметров
макрочастиц
в
низкотемпературной плазме из измерений
рассеяния
и поглощения
света
II
Лазерные
методы
диагностики
макрочастиц
в
низкотемпературной плазме
Основные
положения
теории
элементарного рассеяния света
III
Определение средних размеров,
концентрации и
показателя
преломления макрочастиц в
низкотем-
Метод
апертурной
прозрачности.
Метод оптической
визуализации макрочастиц.
Содержание
Основные положения теории элементарного рассеяния света. Применение теории Ми для измерений макрочастиц в термической плазме. Модельный
метод решения задач теории элементарного рассеяния.
Метод оптической визуализации
макрочастиц. Двухцветовой лазерный
счетчик. Применение оптических счетчиков для измерений макрочастиц. Диагностика частиц в потоке термической
плазмы. Определение температуры макрочастиц по их смещению. Определение
коэффициента диффузии и кинетической температуры макрочастиц методом
корреляции фотонов. Дифракция оптического излучения на пространственноупорядоченных структурах макрочастиц.
Метод апертурной прозрачности.
Основные уравнения. Влияние показателя преломления на измерение ослабления при малых апертурных углах фотоприемника. Влияние экспериментальных ошибок на восстановление размера
и показателя преломления частиц. Применение апертурного метода для определения размеров и концентраций частиц в оптически плотных средах. Коррекция многократного рассеяния в измерениях ослабления света при различ-
Объем
АудиСамоторная
стояработа тельная
(зачет- работа
ные
(зачетедининые
цы/часы) единицы/час
ы
5
10
4
9
7
11
7
4
5
пературной плазме методом апертурной
прозрачности
IV
Спектрорадиометрический
метод
определения параметров
макрочастиц
в
низкотемпературной плазме
ных апертурных углах фотоприемника.
Экспериментальный анализ корректировочных факторов.
Определение температуры
макрочастиц с использованием
аппроксимаций
спектральной излучательной
способности.
ДиагностиV
Комплекс ческий
диагнокомплекс.
стики низкотемпературной
плазмы с
макрочастицами
Определение температуры макрочастиц
с
использованием
аппрок¬симаций спектральной излучательной способности. Основные уравнения. Спектральная зависимость вероятности выживания кванта. Ошибки
определения температуры частиц при
использовании спектральной аппроксимации излучательной способности.
Определение средних размеров и комплексного показателя преломления макрочастиц. Одновременное определение
нескольких параметров макрочастиц в
плазме. Спектрометрический метод.
Границы применимости спектрометрического метода. Погрешность восстановления
параметров
макрочастиц
спектрометрическим методом
Диагностический комплекс. Зондовые методы. Метод полного поглощения и обобщенный метод обращения.
Метод апертурной прозрачности. Метод
корреляционной спектроскопии. Спектрометрический метод. Методы диагностики упорядоченных структур.
9
11
7
11
6. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
№
п/
п
1
2
3
Вид занятия
Форма проведения занятий
лекция
Изложение теоретического материала
интерактивная лекция
лекция
Изложение теоретического материала с помощью презентаций
Решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя – готовится ответы на вопросы, выданные (индивидуально и коллективно) преподавателем в
процессе лекционных занятий и обсуждаются с участием всех слушателей, используются конспект (электронный) лекций,
Цель
получение теоретических знаний по дисциплине
повышение степени понимания материала
осознание связей между
теорией и практикой, а
также взаимозависимостей разных дисциплин
8
4
самостоятельная работа студента
учебники, рекомендуемые данной программой, а также учебно-методические пособия
подготовка к экзамену
повышение степени понимания материала
7. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Контрольно-измерительные материалы
Перечень контрольных вопросов для сдачи зачета и экзамена.
1. Основные положения теории элементарного рассеяния света.
2. Однократность и независимость процесса рассеяния.
3. Применение теории Ми для измерений макрочастиц в низкотемпературной плазме.
4. Эффективность ослабления, рассеяния, поглощения.
5. Индикатриса рассеяния.
6. Оптическая плотность.
7. Условия применимости теории Ми.
8. Закон Бугера, условия его применимости.
9. Метод оптической визуализация макрочастиц.
10. Двухцветовой лазерный счетчик. Применение оптических счетчиков для измерений
макрочастиц в низкотемпературной плазме.
11. Определение коэффициента диффузии и кинетической температуры макрочастиц методом корреляции фотонов.
12. Дифракция оптического излучения на пространственно-упорядоченных структурах макрочастиц.
13. Определение температуры макрочастиц по их смещению.
14. Метод апертурной прозрачности. Основные уравнения.
15. Влияние показателя преломления на измерение ослабления при малых апертурных углах
фотоприемника.
16. Влияние экспериментальных ошибок на восстановление размера и показателя преломления частиц.
17. Применение апертурного метода для определения размеров и концентраций частиц в оптически плотных средах.
18. Зависимость величины измеряемой (эффективной) оптической плотности от размера частиц.
19. Определение размеров несферических частиц.
20. Диапазон размеров частиц для применимости метода апертурной прозрачности.
21. Область чувствительности метода апертурной прозрачности, способы ее увеличения.
22. Определение температуры макрочастиц с использованием аппрок¬симаций спектральной излучательной способности. Основные уравнения.
23. Методы оптической пирометрии. Радиационная, яркостная и цветовая температуры макрочастиц.
24. Спектральная зависимость вероятности выживания кванта. Ошибки определения температуры частиц при использовании спектральной аппроксимации излучательной способ-
9
ности.
25. Определение средних размеров и комплексного показателя преломления макрочастиц.
Одновременное определение нескольких параметров макро¬частиц в плазме.
26. Спектрометрический метод. Границы применимости спектрометрического метода. Погрешность восстановления параметров макрочастиц спектрометрическим методом
27. Диагностический комплекс. Зондовые методы. Метод полного поглощения и обобщенный метод обращения.
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система), доступ к сети Интернет
Необходимое программное обеспечение: Стандартные пакеты Microsoft Office:
PowerPoint, Word etc.
Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных
1. http://lib.mipt.ru – электронная библиотека Физтеха.
2. http://www.edu.ru – федеральный портал «Российское образование».
3. http://benran.ru –библиотека по естественным наукам Российской академии наук.
4. http://www.i-exam.ru – единый портал Интернет-тестирования в сфере образования.
9. НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
10. ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ
Учебным планом не предусмотрены
11. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
12. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература.
1. Соу С. Гидродинамика многофазных систем М.: Мир, 1971.
2. Sodha M.S. and Guha S. Adv. Plasma Phys. 1971. Vol. 4, p.219.
3. Жуховицкий Д.И., Храпак А.Г., Якубов И.Т. В сб. Химия плазмы (под редакцией Смирнова Б.М.). 1984. т.11, с.130.
4. Фортов В.Е., Якубов И.Т. Неидеальная плазма. М.: Энергоатомиздат, 1994.
5. Нефедов А.П., Петров О.Ф., Фортов В.Е. Успехи физ. наук. 1997. т.167, с.1215.
6. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986.
7. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М: Атомиздат, 1969.
8. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.Н. Техника спектроскопии. М.: Наука,
1972.
9. Методы исследования плазмы. Под ред. В. Лохте-Хольтгревена. М.: Мир, 1971.
Дополнительная литература.
1. Felske J.D., Ku J.C. A technique for determining the spectral refractive indices, size and number density of soot particles from light scattering and spectral extinction measurements in
flames // Combustion and Flame. -1992. -V. 91. -No.1. -P.20.
2. Charalampopoulos T.T., Chang H. In situ optical properties of soot particles in the wavelength
range from 340 nm to 600 nm // Combust.Sci. and Tech. -1988. -V.59. -P.401.
3. Ariesson P.C., Self S.A., Eustis R.H. Two-wavelength laser transmissometer for measurements
of the mean size and concentration of coal ash droplets in combustion flows // Appl. Opt. 1980. -V.19. -No.22. -P.3775.
4. Wertheimer A.L., Wilcock W.L. Light scattering measurements of particle distributions //
Appl. Opt. -1976. -V.15. -No.6. -P. 1616.
10
5. Coston S.D., George N. Particle sizing by inversion of the optical transform pattern // Appl.
Opt. -1991. -V.30. No.33. -P.4785.
6. Riley J.B., Agrawal Y.C. Sampling and inversion of data in diffraction particle sizing // Appl.
Opt. -1991. -V.30. -No.33. -P. 4800.
7. Jones M.R., Curry B.P., Brewster M.Q., and Leong K.H. Inversion of light-scattering measurements for particle size and optical constants: theoretical study // Appl. Opt. -1994. -V.33. P.4025.
8. Deepak A., Box M.A. Forwardscattering corrections for optical extinction measurements in
aerosol media. Part 2: Polydispersions // Appl. Opt. -1978. -V.17. -No.19. -P. 3169.
9. Bryant F.D., Latimer P. Real-time particle sizing by a computer-controlled transmittance photometer // Appl. Opt. -1985. -V. 24. -No.24. -P.4280.
10. Kusters A., Wijers J.G., and Thoenes D. Particle sizing by laser diffraction spectrometry in
anomalous regime // Appl. Opt. -1991. -V.30. -P.4839.
11. Jones M.R., Leong K.H., Brewster M.Q., and Curry B.P. Inversion of Light-scattering measurements for particle size and optical constants: experimental study // Appl. Opt. -1994. -V.33.
-P.4035.
12. Nefedov A.P., Petrov O.F., Vaulina O.S., Lipaev A.M. Application of a forward-anglescattering transmissometer for simultaneous measurements of particle size and number density
in an optically dense medium // Appl. Opt.-1998.-V.37.-No.9.-P.1682-1689
Программу составил
________________член-корр., д.ф.–м.н.
«___»__________2015 г.
О.Ф.Петров,