Взаимодействие излучения с веществом

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
___________А.Н. Яковлев
«___» ____________2013 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«Взаимодействие излучения с веществом»
НАПРАВЛЕНИЕ ООП 200400 ОПТОТЕХНИКА
КВАЛИФИКАЦИЯ (СТЕПЕНЬ) БАКАЛАВР
БАЗОВЫЙ УЧЕБНЫЙ ПЛАН ПРИЕМА 2013 г.
КУРС_ 4 _СЕМЕСТР_ 8__
КОЛИЧЕСТВО КРЕДИТОВ_3_
ПРЕРЕКВИЗИТЫ: «Физика», «Электротехника», «Математика»
КОРЕКВИЗИТЫ:
ВИДЫ УЧЕБНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ И ВРЕМЕННОЙ РЕСУРС:
Лекции
Лабораторные занятия
Практические занятия
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
____30_____
____20_____
____0_____
____50____
____71_____
____121____
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
Час.
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ОЧНАЯ
ВИД ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ЗАЧЕТ
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ кафедра Лазерной и световой техники
Институт физики высоких технологий
ЗАВЕДУЮЩИЙ КАФЕДРОЙ:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
РУКОВОДИТЕЛЬ ООП:
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
ПРЕПОДАВАТЕЛЬ:
д. ф.-м.н., профессор Б.П.Гриценко
2013 г.
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ.
Цели преподавания: дать студентам базовые знания о процессах, возникающих при
взаимодействии с веществом лазерного излучения, потоков электромагнитной и
корпускулярной радиации. После изучения дисциплины студент должен
знать:
основные тенденции развития оптических и лучевых технологий,
Фундаментальные основы взаимодействия излучений различной природы с веществом,
первичные процессы взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, закономерности
прохождения фотонных и корпускулярных излучений через вещество
способы генерации ионизирующих излучений.
Методы и принципы исследования явлений и результатов воздействия излучения на ващество.
Основные представления о физических процессах, приводящих к созданию и накоплению
радиационных дефектов в твердых телах;
Типовые процессы, проистекающие при взаимодействии излучения с плазмой, газами и
конденсированными средами и возможности их использования в технологических целях
Методы математической оценки требуемых параметров лазерного и ионизирующего излучений
для получения тех или иных эффектов.
уметь: проводить простые эксперименты по воздействию лазерного излучения
использовать полученные знания при оценке результатов воздействия излучений на вещество;
при прогнозировании поведение материалов в полях лазерных и ионизирующих излучений; при
определении порогов необратимых изменений в материалах под
действием излучений,
проводить простые эксперименты по воздействию высокоэноргетичного излучения на вещество.
Задачи изучения дисциплины:

изучить и усвоить теоретическую часть курса в виде системы знаний на лекционных
занятиях;

выработать начальные навыки проведения экспериментов по воздействию мощных потоков
излучения на образцы.

сформирование мотивации к самостоятельной познавательной деятельности путем
изучения отдельных разделов дисциплины, логически связанных с тематикой лекций.
Требования к уровню подготовленности студента: для успешного освоения дисциплины
«Взаимодействие излучения с веществом» студент должен знать: фундаментальные основы
оптики, свойства и характеристики световых полей, основы лазерной техники и термодинамики.
2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАЗДЕЛА.
№
1
Темы лекционных занятий
Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом).
1.1. Источники ионизирующих излучений (4 часа).
Основные понятия и единицы измерений, характеризующие поля
излучений. Радиоактивный распад. Изотопные источники -излучения.
Реакторное излучение. Генераторы -, рентгеновского, нейтронного
Кредиты
3
излучений. Ускорители заряженных частиц: ускорители электронов
(прямого
действия,
линейный,
импульсный
сильноточный,
циклические), ускорители ионов.
1.2. Первичные процессы (7 часов).
Природа взаимодействия фотонного излучения с веществом; потери
энергии фотонного излучения. Прохождение электронов через
вещество: потери энергии; механизмы передачи энергии; пробег
электронов; локальные области ионизации и возбуждения.
Прохождение ионов через вещество: понятия о процессах упругого
рассеяния атомов ( ионов ) при столкновениях; потенциалы
взаимодействия; сечения рассеяния, смещения, упругого торможения;
энергия отдачи; неупругое торможение ионов; пробеги ионов; профили
распределения ионов,
поглощенной энергии
в веществе.
Взаимодействие нейтронов с веществом.
1.3. Накопление радиационных дефектов (7 часов).
Ударный механизм создания первичных дефектов в твердых телах:
передача энергии при упругих столкновениях частиц; пороговые
энергии; каскад смещений;
каналирование; фокусирующиеся
соударения. Ионизационные механизмы создания первичных дефектов:
электронные возбуждения; механизмы их распада на структурные
дефекты. Структура радиационных дефектов и их накопление в
диэлектриках, полупроводниках, металлах.
1.4. Основы электронно-ионных технологий (4 часа).
Технологические процессы с электронным нагревом материалов.
Нетермическая электронно-лучевая обработка материалов. Методы
анализа материалов и веществ с использованием электронных и ионных
пучков.
Лабораторная работа 4 часа.
Самостоятельная внеаудиторная работа 31 час.
2
Взаимодействие лазерного излучения с веществом.
2.1. Взаимодействие лазерного излучения с плазмой (6 часов).
Разогрев свободного электрона в поле электромагнитной волны.
Поглощение электроном энергии электромагнитного поля за счет
обратного тормозного эффекта. Оптические параметры плазмы.
Частота столкновений электронов в плазме. Максимальная температура
разогрева плазмы лазерным излучением.
Обратное тормозное
поглощение в неоднородной плазме. Основные понятия физики
управляемого термоядерного синтеза с лазерным нагревом мишени и
инерциальным удержанием плазмы
2.2. Воздействие лазерного излучения на атомы и молекулы (
4часа ).
Оптическая восприимчивость атомарной среды. Фотоэффект.
Надпороговая ионизация атомов. Резонансное давление света на атомы.
Радиационное охлаждение атомных частиц в ловушках. Оптическая
левитация прозрачных частиц. Светоиндуцированный дрейф частиц в
газе. Физика оптического пробоя. Нагрев электрона. Электронная
лавина и образование плазмы в фокусе лазерного пучка. Нагрев
плазмы.
Распространение
оптических
зарядов
в
газах.
Экспериментальные исследования оптического пробоя. Оптическая
стойкость материалов.
2.3. Взаимодействие лазерного излучения с конденсированными
средами ( 6 часов ). Поглощение и отражение излучения средами.
Оптические характеристики материалов. Импульсный лазерный отжиг,
3
аморфизация поверхности твердых тел. Лазерно-индуцированные
неустойчивости поверхности конденсированных сред. Тепловые
эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с
веществом. Уравнение изменения температуры среды с объемным
поглощением лазерного излучения. Плавление и движение фронта
расплава. Испарение и абляция вещества. Сжатие вещества лазерноиндуцированной ударной волной. Нагрев поверхности металла.
Эмиссия частиц с поверхности. Плавление и испарение. Окисление
металлической поверхности при облучении. Тепловой механизм
возбуждения звука в жидкости. Возбуждение звука при испарении
жидкости. Оптический пробой в жидкости. Разрушение прозрачных
твердых тел. Разрушение идеально чистых тел. Разрушение,
обусловленное локальными макроскопическими примесями. Эффект
накопления. Процессы, приводящие к образованию плазмы. Разлет и
нагрев эрозионной плазмы. Методы исследования плазменного факела.
Основные характеристики плазменного факела.
2.4. Нелинейное взаимодействие лазерного излучения с веществом (
4 часса ). Электронная нелинейная восприимчивость прозрачных сред.
Эффект Керра.
Электрострикция. Спонтанное и вынужденное
рассеяние света атомами и молекулами. Вынужденное комбинационное
рассеяние (ВКР). Вынужденное рассеяние Мандельштамма-Бриллюэна
(ВРМБ). Обращение волнового фронта. Параметрические генераторы.
Самофокусировка и расфокусировка
лазерного излучения.
Возбуждение волн нелинейной поляризации и высших гармоник.
Лабораторные работы 12 часов.
Самостоятельная внеаудиторная работа 33 часа
3. СОДЕРЖАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА.
Тематика практических занятий:
№
темы практических занятий
1.
Взаимодействие электронных пучков умеренной интенсивности с
веществом.
2.
Взаимодействие пучков электронов высокой мощности с веществом
3.
Оптический пробой в газе.
часы
4
4
4
4. ПРОГРАММА САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ ПОЗНАВАТЕЛЬНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
№
1.
2.
3.
4.
содержание занятий
Самостоятельное изучение следующих тем:
1 Процессы нелинейной оптики
2. Применение лучевых технологий
Проработка лекционного материала
Подготовка к лабораторным работам
Подготовка к итоговому экзамену
часы
12
ИТОГО:
19
8
20
71
Для осуществления самостоятельной познавательной деятельности студентам предоставляется
возможность пользования:
 библиотекой ТПУ;



информационными ресурсами на сайте кафедры (248 ауд., к.16в);
интернет-ресурсами;
парком ПЭВМ кафедры.
5. ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ.
Текущий контроль проверки результатов изучения дисциплины осуществляется по
рейтинговой системе.
№
1
2
Вид деятельности
Лабораторные работы
Коллоквиумы
ИТОГО
баллы
20
600
800
На коллоквиумы выносится перечень вопросов по тематике изученного раздела, включая
темы для самостоятельного изучения. Контрольные проводятся в устно- письменной форме.
Итоговый контроль проводиться в виде экзамена. Для допуска к экзамену необходимо:

выполнить все виды учебный заданий (сдать коллоквиум, выполнить лабораторные
работы);

набрать в сумме не менее 450 баллов.
8.УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ.
8.1. Перечень используемых информационных продуктов
№
1.
3.
вид информационного ресурса
Методические материалы по темам
Экзаменационные вопросы
источник информации
сайт кафедры (248 ауд., к.16в)
сайт кафедры (248 ауд., к.16в)
8.2. Перечень рекомендуемой литературы.
Основная:
. Пикаев А.К. Современная радиационная химия. Основные положения. Экспериментальная
техника и методы.- М.: Наука, 1985.- 375с.
2. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы.- М.: Металлургия, 1990.- 216с.
3. Вавилов В.С., Кекелидзе Н.П., Смирнов Л.С. Действие излучений на полупроводники.- М.:
Наука. Гл. ред. физ.- мат. лит., 1988.- 192с.
4. Лущик Ч.Б., Лущик А.Ч. Распад электронных возбуждений с образованием дефектов в твердых
телах.- М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1989.- 264с.
5. Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии: Учеб. пособие
для вузов.- М.: Высш. шк., 1988.- 255с.
6. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.- М.: Наука, 1989.- 280с.
7. Коротеев Н.И., Шумай И.Г. Физика мощного лазерного излучения. -М.:Наука,1991.- 309с.
8. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики.- М.: Наука, 1989.- 560с.
9. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов.- М.: Наука, 1974.- 468с.
10. Рэди Д. Действие мощного лазерного излучения.- М.: Мир, 1974. -468с.
11. Пекара А. Новый облик оптики. Введение в квантовую электронику и нелинейную оптику.- М.:
"Советское радио", 1973.- 263с.
12. Сухов Л.Т. Лазерный спектральный анализ.- Новосибирск: Наука, 1990.- 139с.
Дополнительная:
13. Томпсон М. Дефекты и радиационные повреждения в металлах.- М. :Мир, 1971.- 367с.
14. Бугаенко Л.Т., Кузьмин М.Г., Полак Л.С. Химия высоких энергий.- М.: Химия, 1988.- 368с.
15. Шварц К.К. Диэлектрические материалы: Радиационные процессы и радиационная стойкость.Рига: Зинатне, 1989.- 187с.
16. Емцев В.В., Машовец Т.В. Примеси и точечные дефекты в полупроводниках.- М.: Радио и
связь, 1981.- 248с.
17. Анисимов С.И. и др. Действие излучения большой мощности на металлы.- М.: Наука, 1970.272с.
18. Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия. Отв. Ред. М.Е. Жаботинский. - М.: "Сов.
Энциклопедия", 1969.-432с.
Приложение 1.
Вопросы к коллоквиуму по взаимодействию лазерного излучения с веществом..
1. Взаимное воздействие излучения и вещества.
2. Взаимодействие фотона и свободного электрона..
3. Обратнотормозной механизм поглощения.
4. Частота столкновений электронов в плазме.
5. Лазерный УТС.
6. Механическое (пондемоторное) действие света.
7. Резонансное давление света на атомы.
8. Левитация прозрачных частиц.
9. Радиационное охлаждение ансамблей частиц.
10. Оптический пробой.
11. Экспериментальное исследование оптического пробоя.
12. Генерация акустических импульсов лазерным излучением..
13. Линейные и нелинейные среды.
14. Вынужденное комбинационное рассеяние.
15. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Брилюена.
16. Самофокусировка.
17. Генерация гармоник и многофотонные процессы.
18. Обращение волнового фронта как частный случай ВМБР.
19. Явления, возникающие при лазерном нагреве вещества.
20. Лазерные технологические операции.
Вопросы к коллоквиуму по взаимодействию ионизирующего излучения с
веществом.
1. Виды ионизирующих излучений. Первичное и вторичное ионизирующее излучение.
2. Поток ионизирующих частиц (включая фотоны) и его плотность.
3. Перенос (или флюенс) ионизирующих частиц.
4. Потоком энергии Ф ионизирующего излучения. Плотность потока энергии ионизирующего
излучения .
5. Поглощенная доза. Мощность поглощенной дозы.
6. Керма. Мощность кермы.
7. Экспозиционная доза фотонного излучения.
8. Виды радиоактивного распада.
9. γ-Излучение.
10. Источники ионизирующих излучений.
11. Кобальтовые гамма-установки.
12. Радиационные контуры.
13. Установки с отработавшими твэлами.
14. Устройство ядерных реакторов.
15. Как классифицируют ядерные реакторы.
16. Особенности реакторного излучения.
17. Распределение энергии деления 235U под действием тепловых нейтронов по различным
компонентам ядерного излучения.
18. Ускорители заряженных частиц.
19. Линейные ускорители.
20. Циклические ускорители.
21. Применение электронных ускорителей для генерации рентгеновского излучения.
22. Ускорители как источники нейтронов.
23. Сильноточные импульсные ускорители прямого действия.
24. Ионный источник Пеннинга.
25. Ионный источник металлических ионов.
26. Рассеяние фотонов.
27. Фотоэлектрический эффект.
28. Комптоновское рассеяние.
29. Образование электронно-позитронных пар.
30. Фотораспад ядер (или ядерный фотоэффект).
31. Закон ослабления моноэнергетического, мононаправленного узкого пучка фотонов.
32. Закон ослабления точечного изотропного пучка фотонов.
33. Линейный и массовый коэффициенты передачи энергии.
34. Линейная тормозная способность вещества. Массовая тормозная способность вещества.
35. Что такое ионизационные потери и радиационные потери.
36. Упругое рассеяние.
37. Черенковское излучение.
38. Поляризационный эффект.
39. Потери энергии осколками деления.
40. Взаимодействие нейтронов с веществом. Неупругое рассеяние. Упругое рассеяние.
41. Захват ядрами нейтронов. Атомы отдачи и их энергия.
42. Физические процессы при взаимодействии ионов с твердым телом (какие).
43. Что такое неупругие соударения.
44. Основные механизмы торможения ионов в твердых телах.
45. Чем определяется в первую очередь характер взаимодействия иона с твердым телом.
46. Потенциалы ионно-атомного взаимодействия.
47. Дифференциальное сечение рассеяния dσ.
48. Неупругие столкновения.
49. Образование каскада смещенных атомов
50. Как и при каких условиях определяется число смещений в линейном каскаде.
51. Пробеги ионов и их распределение в твердых телах.
52. Собственные и примесные дефекты в твердых телах.
53. Дефекты по Шоттки, дефекты по Френкелю.
54. Ударный механизм возникновения радиационных дефектов.
55. Линейные дефекты.
56. Вектор Бюргерса.
57. Типы экситонов в ЩГК.
58. F, H, α, I – центры.
59. Ионизационные механизмы распада электронных возбуждений на структурные дефекты в
ЩГК.
60. Накопление радиационных дефектов.
61. Модифицирование металлических материалов с помощью ионной имплантации.
62. Технологические особенности метода.
63. Электронно-лучевая обработка, физика процесса, достоинства метода.
Приложение 2.
Примеры экзаменационных билетов.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1
по дисциплине: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс: 4.
1. Вынужденное рассеяние Мандельштама-Брилюена.
2. Виды ионизирующих излучений. Первичное и вторичное ионизирующее излучение.
3. Сильноточные импульсные ускорители прямого действия
Составил профессор:
Утверждаю: зав. каф. ЛиСТ профессор
Гриценко Б.П.
Лисицын В.М.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2
по дисциплине: ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ
факультет: ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЙ
курс: 4.
1. Оптический пробой.
2. Перенос (или флюенс) ионизирующих частиц
3. Ионный источник металлических ионов.
Составил профессор:
Утверждаю: зав. каф. ЛиСТ профессор
Гриценко Б.П.
Лисицын В.М.