1 - Физический факультет СПбГУ

Министерство образования Российской Федерации
Санкт - Петербургский государственный университет
Физический факультет
Рассмотрено и рекомендовано
на заседании кафедры
радиофизики
УТВЕРЖДАЮ
декан факультета
________________ А.С. Чирцов
Протокол от 18. 11. 2003 № 10
Заведующий кафедрой
_____________________Н.Н.Зернов
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
СДМ.05 - «Основы физики плазмы»
Магистерская программа 510414/33
Разработчик:
профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ Ключарев А.Н.
Рецензент:
профессор, докт.физ.-мат.наук _________________ Стишков Ю.К.
Санкт - Петербург - 2003 г.
1. Организационно-методический раздел.
1.1. Цель изучения дисциплины. Познакомить слушателей с физической основой
процессов, существенных для проблем новой энергетики при использовании в
качестве носителей или источников энергии жидкости или ионизированный газ
(плазму).
1.2. Задачи курса. Изучение термодинамических свойств газов и жидкостей,
статистических свойств слабо ионизированного газа, свойств низкотемпературной
плазмы, явлений пробоя в газах. Рассмотрение примеров практического
использования низкотемпературной плазмы.
1.3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Дисциплина
«Основы физики плазмы» входит в число специальных дисциплин, изучаемых
магистрантами, обучающимися по программе «Электрогидродинамика».
1.4. Требования к уровню освоения дисциплины.
- знать содержание дисциплины «Основы физики плазмы»,
- уметь правильно формулировать и решать задачи из области физики,
охватываемой данной дисциплиной, квалифицированно проводить анализ
полученных результатов.
2. Объем дисциплины, виды учебной работы, форма текущего, промежуточного
и итогового контроля.
Распределение по
семестрам
ЧАСОВ
по дисциплине
Трудоемкость
Лекций
Лаб.работы
Практ. занятий
Семинары
Всего
Самост. работа
9
нет
сем.
Аудиторных занятий
по
специализации
зачетов
экзаменов
Курс.
работы
нет
нет
79
48
нет
нет
нет
48
31
Изучение дисциплины по семестрам:
9 семестр: лекции 48ч, экзамен;
3. Содержание дисциплины.
3.1. Темы дисциплин, их краткое содержание и виды занятий.
I Термодинамические свойства газов и жидкостей, открытие электрона, плазма четвертое состояние вещества. Длина и время свободного пробега частиц, диффузия,
теплопроводность, вязкость, процессы на границе раздела среда - стенка, идеальный
газ.
2. Основные сведения из атомной и молекулярной спектроскопии и строения атома.
Спектры. Орбиты электронов и энергетические уровни Квазиклассические и квантовомеханические подходы.
3. Статистика слабоионизированного газа. Больцмановское распределение частиц по
возбужденным состояниям. Статистический вес и внутренние степени свободы.
Равновесные процессы и формула Саха. Принцип детального равновесия.
4. Излучение слабоионизированного газа. Атомные и молекулярные спектры. Ионные
спектры. Интенсивность спектральных линий и основы оптической диагностики.
Излучение черного тела.
5. Низкотемпературная плазма. Квазинейтральность и разделение зарядов.
Дебаевский радиус экранирования, проводимость, температурная и кулоновская
энергия плазмы, плазма как неидеальный газ. Движение частиц в плазме, плазма во
внешнем электрическом и магнитном полях, эффект Холла. Качественные методы
физической кинетики. Уравнения магнито- гидродинамики и области их применения.
6. Элементарные процессы в плазме. Упругие и неупругие процессы с участием
фотонов, электронов и тяжелых частиц Эффект Рамзауэра-Таунссенда. Ионизация в
электрон-атомных столкновениях прямая и ступенчатая, рекомбинация. Процессы
ионизации при столкновениях тяжелых частиц. Кластерные ионы Механизмы
химических реакций в низкотемпературной плазме. Перенос резонансного излучения и
систематика понятий эффективного времени жизни.
7. Процессы на поверхностях.
Термоэлектронная эмиссия. Автоэлектронная эмиссия. Фотоэффект. Вторичная
электронная эмиссия. Эмиссия вещества и энергии при бомбардировке поверхности
ионами, возбужденными и нейтральными атомами. Ионное распыление вещества и
образование пылевой плазмы.
8. Типы низкотемпературной плазмы.
Стационарная, квазистационарная, импульсная плазма. Правила подобия. Принятое в
литературе деление различных видов низкотемпературной плазмы в газовой среде по
способам ее создания и использования. «Твердотельная плазма» - низкоэнергетические
электроны в поле твердотельной решетки.
9. Пробой газов, тлеющий разряд, электрическая дуга, униполярная дуга,
коронный разряд, искровой разряд, сильноточные импульсные разряды. Разряд в
высоком вакууме. Коронный разряд. Высоковольтные разрядники тока и условия
существования объемного разряда при высоких давлениях. Объемные
самостоятельный и несамостоятельный разряды. Оптические методы стабилизации
горения объемных разрядов, основанные на первичной фотоионизации
атомной и молекулярной примесей.
10. Примеры практического использования низкотемпературной плазмы
Оптогальванический эффект в ионизованном газе, плазмохимия, обработка и закалка
материалов, источники ионного напыления и получения композитных
материалов. Магнитогидродинамические способы преобразования энергии.
11.Новая энергетика. Энергетические аппараты и установки. Поведение вещества
в сверхкритической области.
Высокотемпературные твердые материалы. Неводяные теплосистемы. Солнечная
энергетика, концептуальные проекты энергетических термоядерных реакторов.
3.2. Лабораторный практикум. Лабораторный практикум отсутствует.
3.3. Темы курсовых работ. Курсовые работы по данной дисциплине отсутствуют.
3.4. Темы рефератов. Написание рефератов по данной дисциплине не предусмотрено.
3.5. Примерный перечень вопросов по всему курсу.
1. Виды низкотемпературной плазмы. Низкотемпературная плазма в современных
технологических установках. Проблемы управляемых термоядерных реакций.
2. Термодинамические свойства газов. Основные положения кинетической теории
газов.
3. Ионизированный газ, статистика слабоионизированного газа. Квазинейтральность
и разделение зарядов. Дебаевский радиус экранирования.
4. Статистический вес частицы и внутренние степени свободы в плазме. Равновесная
плазма и формула Саха.
5. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитных полях. Эффект Холла.
Магнитодинамические способы преобразования энергии.
6. Качественные методы физической кинетики низкотемпературной плазмы.
Уравнение Фоккера-Планка.
7. Колебания и волны в плазме. Циклотронный резонанс. Излучение
низкотемпературной плазмы. Методы СВЧ-диагностики.
8. Основное понятие о систематике возбужденных атомов, молекул, ионов.
Механизмы химических реакций в низкотемпературной плазме.
9. Элементарные процессы в плазме. Упругие и неупругие процессы с участием
электронов и тяжелых частиц. Эффект Рамзауэра-Таундсена.
10. Электрический разряд в газах. Пробой газов, тлеющий разряд, приэлектродные
явления, сильноточные и импульсные разряды.
11. Разряд в вакууме. Коронный разряд. Высоковольтные разрядники тока.
12. Условия существования объемного электрического разряда при высоких
давлениях. Методы стабилизации горения объемных разрядов.
13. Оптогальванические эффекты в плазме. Типичные механизмы их возникновения и
примеры практического использования.
14. Плазменные источники напыления покрытий. Получение композиционных
материалов. Плазменная обработка и закалка материалов.
15. Лазерная энергетика, водородная энергетика, плазмохимия, плазменные источники
света.
16. Энергетические плазменные аппараты и установки. Высокотемпературные
материалы.
4. Учебно-методическое обеспечение курса.
4.1. Перечень обучающих, контролирующих и расчетных программ, диафильмов,
слайдфильмов, кино и видеофильмов. При изучении некоторых разделов
дисциплины используются оригинальные авторские расчетные программы,
слайдовые демонстрации и видео фильмы.
4.2. Активные методы обучения. При чтении лекций по данной дисциплине
используются стандартные аудиторные занятия и занятия в мультимедиа
компьютерном классе; при самостоятельной работе магистрантов используется
компьютерный класс; применяются различные методы тестирования и
самоконтроля, современные компьютерные и Интернет технологии.
4.3. Материальное обеспечение дисциплины, технические средства обучения и
контроля. Стандартно оборудованные лекционные аудитории, аудитории со
средствами мультимедиа, компьютерные классы.
4.4. Литература.
1. Подвижность и диффузия ионов в газах. М.:Мир. пер. с англ. 1976.
2. Б.М. Смирнов. Введение в физику плазмы. М.:Наука. 1977.
3. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М: Наука. 1967.
4. И. Мак-Даниель. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир. пер. с
англ. 1967.
5. Справочник констант элементарных процессов с участием атомов, ионов,
электронов, фотонов.
Под ред. проф. А.Г. Жиглинского. С.-Петербург: Изд-во СПбУ. 1994.
6. А.Н. Ключарев. Процессы хемоионизации. УФН. Т.163. № 6. 1993.
7. А.Н. Ключарев. М.Л. Янсон. Элементарные процессы в щелочной плазме, М.:
Энергоатомиздат. 1988.
8. С.Э. Фриш. Оптические спектры атомов. М.: Физматгиз. 963.
9. Спектроскопия газоразрядной плазмы. Под ред. С.Э. Фриша. Л.: Наука. 1970.
10. В.Н. Очкин, Н.Г. Преображенский. Н.Я. Шанарев. Оптогальванический эффект в
ионизованном газе. М: Наука. 1991.
11. А.Е. Шейндлин. Новая энергетика. М.; Наука. 1987.
12. В.Н. Цытович. Плазменно-пылевые кристаллы, капли и облака. УФН. Т.167. № 1.
1997.