УТВЕРЖДАЮ Директор ФТИ _____________ Кривобоков В.П. «____»______________ 2011 г

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________ Кривобоков В.П.
«____»______________ 2011 г.
Рабочая программа дисциплины
Основы физики плазмы
Направление ООП: подготовка бакалавров
Профиль подготовки: 011200 «Физика»
Квалификация (степень): бакалавр
Базовый учебный план приема: 2011 г.
Курс: IV , семестр VII, VIII
Количество кредитов: 8
Пререквизиты: математика, общая физика
Кореквизиты: теоретическая физика, теория вероятности и математическая
статистика, взаимодействие излучения и плазмы с веществом
Виды учебной деятельности и временной ресурс
Лекционные занятия:
44 час.
Лабораторные занятия:
75
Самостоятельная работа:
124 час.
Итого:
243 час.
Форма обучения: очная
Вид промежуточной аттестации: экзамен, дифференциальный зачет
Обеспечивающее подразделение: кафедра ВЭПТ ФТИ
Заведующий кафедрой ВЭПТ
Кривобоков В.П.
Руководитель ООП
_________________ Чернов И.П.
Преподаватель
_________________ Янин С.Н.
2011 г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УДК 539.122.17+539.124.17+539.125.17
Ключевые слова: плазма, электрон, ион, излучение, взаимодействие, сечение,
пробег, неустойчивость, ионизация, рекомбинация, экранирование.
Аннотация
Основы физики плазмы (ОФП)
011200 (б)
Каф. ВЭПТ ФТИ
Профессор, д.ф.-м.н. Янин Сергей Николаевич
Тел.(3822)-417954; e- mail: [email protected]
Цель:
формирование
основополагающих
знаний
по
физике
низкотемпературной плазмы.
Рассмотрены следующие вопросы: понятие плазмы, дебаевская
экранировка, столкновения частиц в плазме, идеальная и неидеальная плазма,
классическая и вырожденная плазма, кулоновский логарифм, процессы в
плазме, плазменные неустойчивости, дрейфовое движение, методы
удержания плазмы, излучение плазмы, электрический разряд в газе.
Курс 4 (7 сем.  экзамен, 8 сем. – курсовая работа, диф. зачет)
Всего 243 ч, в т. ч. Ауд. 119, Лк 44 ч, Лб 75 ч, См 124 ч.
Разработчик программы - доцент кафедры ВЭПТ ФТИ профессор Янин
Сергей Николаевич.
Тел.: (3822)-41-79-54
E-mail: [email protected]
The summary of the program on discipline "The Fundamentals of the Plasma
Physics".
The content of the course: the conception of plasma, Debye screening, the
plasma particles collision, perfect and imperfect plasma, classical and degenerate
plasma, Coulomb logarithm, the plasma process, the plasma instability, the drift
motion, the plasma waves, the plasma confinement methods, the plasma radiation,
the thermonuclear reaction, Louson condition, the electrical discharge, the plasma
technology.
The program is developed by the associated professor S.N.Yanin, The
Hydrogen Energy and Plasma Engineering Department of The Natural Science and
Mathematical Faculty.
E- mail: [email protected]
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
II Цели и задачи учебной дисциплины
В настоящее время плазма нашла широкое применение в различных
областях науки и техники. Плазменные технологии широко применяются в
оптике и микроэлектронике для напыления пленочных покрытий, в
машиностроении для обработки поверхности деталей, в производстве
режущего инструмента, в медицине для обработки протезов и т.д. Многие
физические процессы в природе связаны с плазменными явлениями. Более
того, основная масса вещества во Вселенной находится в плазменном
состоянии.
Поэтому представителям различных специальностей,
использующих в своей работе источники плазмы, необходимо иметь
представление о сложной совокупности процессов, происходящих в ней.
Они должны иметь опыт работы на современном вакуумном
оборудовании, освоить практику сборки и настройки вакуумных систем,
изучить физические принципы функционирования источников плазмы и
ионных пучков и методы измерения их рабочих параметров, технологическое
применение плазмы.
Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при
изучении дисциплин: “Общая физика”, “Физика твердого тела”, “Атомная
физика” и “Взаимодействие излучения с веществом”.
Цель преподавания дисциплины: формирование физических
представлений о процессах, протекающих в плазме для применения этих
знаний при работе в различных областях науки, техники и медицины,
связанных с ее практическим применением.
Цели преподавания дисциплины характеризующие знания и умения,
которыми должен владеть специалист:
специалист должен иметь представление:
 о характеристиках плазмы и единицах их измерения;
 об основных процессах, протекающих в плазме.
специалист должен знать и уметь использовать:
 свойства и характеристики плазмы различных типов.
специалист должен уметь:
 рассчитывать характеристики плазмы по заданным параметрам
источника.
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих
формах деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации и ее
использовании при решении практических задач;
 лабораторные
работы,
предназначенные
для
получения
практических навыков работы с ионно-плазменными источниками;
 консультации;
3
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде выполнения курсовой 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, а также в виде индивидуальной защиты
заданий;
 рубежный контроль включает контрольные работы, которые
проводятся в стандартные сроки этого контроля на факультете;
 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
Семестр 7 (22 час)
Часть 1.
Понятие плазмы. Общие сведения о плазме. Идеальность. Вырождение.
Квазинейтральность.
Дебаевская экранировка. Дебаевская экранировка. Энергия кулоновского
взаимодействия частиц в плазме.
Плазменные колебания. Характерный временной масштаб разделения
зарядов. Плазменная частота.
Классическая и вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма.
Число частиц в дебаевской сфере. Влияние этого параметра на свойства
плазмы.
Сравнение свойств плазмы, газа, твердого тела.
Характерные параметры лабораторной и космической плазмы.
Часть 2.
Элементарные процессы в плазме. Ионизация и рекомбинация, основные
процессы. Корональное равновесие. Перезарядка, применение ее для
диагностики и нагрева плазмы.
Степень ионизации. Формула Саха. Термодинамическое равновесие.
Зависимость степени ионизации от параметров плазмы и потенциала
ионизации.
4
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Часть 3.
Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное
(кулоновское) сечение, его зависимость от энергии и заряда. Сила,
действующая на неподвижный рассеивающий центр. Кулоновский логарифм
для плазмы и газа. Траектории частиц в плазме и газе.
Излучение из плазмы. Тормозное и рекомбинационное: характерные
зависимости от параметров плазмы, спектр (максимум в зависимости от
температуры, ширина).
Линейчатое: интенсивность линии, отношение интенсивностей линий;
доплеровское уширение,
штарковское расщепление, использование этих эффектов в диагностике
плазмы.
Циклотронное излучение: частота, запирание излучения, интенсивность
излучения черного тела.
Часть 4.
Релаксация импульса и энергии частиц в плазме.
Характерное время потери направленного импульса для холодной и горячей
плазмы,
отличия в зависимости от скорости частицы. Сравнение времен релаксации
электронной компоненты,
ионной компоненты и времени выравнивания электронной и ионной
температур.
Проводимость плазмы, поле Драйсера, убегающие электроны.
Семестр 8 (22 час)
Часть 5.
Теоретические модели, используемые при исследовании плазмы.
Кинетическое уравнение с самосогласованным полем.
Функция распределения, выражение параметров плазмы через нее.
Физический смысл кинетического уравнения. Коэффициенты
электропроводности и
теплопроводности плазмы, их зависимость от температуры (плотности).
Часть 6. (2 часа)
Магнитная гидродинамика. МГД-приближение. Макроскопические
характеристики плазмы.
Одножидкостая МГД, уравнения непрерывности, движения, теплопереноса,
сокращенные уравнения Максвелла. Вмороженность силовых линий
магнитного поля.
Часть 7.
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Волны в плазме. МГД-волны, альфвеновская волна. Звуковые волны.
Ленгмюровская волна. Затухание Ландау.
Электромагнитные электронные волны. Прохождение электромагнитной
волны через плазму:
зависимость показателя преломления от частоты, критическая плотность,
интерферометрия плазмы.
Часть 8.
Понятие о плазменных неустойчивостях.
Желобковая неустойчивость.
Неустойчивость типа змейки.
Пучковая неустойчивость. Двухпотоковая неустойчивость.
Движение частиц в магнитных полях. Циклотронный резонанс.
Дрейфовое движение.
Электрический, центробежный и градиентный дрейф, адиабатические
инварианты.
Дрейфовое движение в тороиде. Движение заряженной частицы в открытой
ловушке
Часть 9.
Управляемый термоядерный синтез. Проблемы энергетики. Радиационная
опасность.
Основы термоядерного синтеза. Энергия связи. Сечения реакций. Критерий
Лоусона.
Инерциальное удержание. Термоядерная бомба. Лазерные системы.
Быстрый поджиг.
Сжатие рентгеновским излучением.
Магнитное удержание. Замкнутые системы. Токамак. Стелларатор. МГД
неустойчивость.
Перспективы систем с магнитным удержанием.
Пинч. Тета-пинч.
Открытые магнитные ловушки. Пробкотрон.
Неустойчивости. Тандем. Термобарьер. Амбиполярная ловушка.
Газодинамическая ловушка.
Многопробочная ловушка.
Часть 10.
Низкотемпературная плазма и плазменный разряд. Понятие о
Таундсеновской теории пробоя.
Кривая Пашена.
6
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
IV. Тематика лабораторных работ
Семестр 7 (36 час)
1. ЛБ №1 «Исследование вольт – амперных характеристик магнетронного
диода».
2. ЛБ №2 « Измерение скорости напыления магнетронным диодом».
3. ЛБ №3 «Исследование скорости травления ионным источником с
холловским дрейфом электронов».
4. ЛБ
№4
«Исследование
спектральных
характеристик
плазмы
магнетронного разряда».
5. ЛБ №5 «Исследование вольт – амперных характеристик тлеющего
разряда».
6. ЛБ №6 «Исследование вольт – амперных характеристик дуальной
магнетронной распылительной системы».
7. ЛБ №7 «Исследование спектральных характеристик плазмы дуальной
магнетронной распылительной системы в режиме напыления оксидной
пленки».
Семестр 8 (39 час)
8. ЛБ №8 «Исследование вольт – амперных характеристик магнетронного
диода с жидкофазной мишенью».
9. ЛБ №9 «Исследование вольт – амперных характеристик ионного
источника с холловским дрейфом электронов».
10. ЛБ №10 «Исследование спектральных характеристик плазмы дуальной
магнетронной распылительной системы в режиме напыления
металлической пленки».
11. ЛБ №11 «Исследование Спектральных характеристик плазмы тлеющего
разряда».
12. ЛБ №12 «Исследование спектральных характеристик плазмы
магнетронного диода с жидкофазной мишенью».
13. ЛБ №13 «Измерение скорости напыления оксидной пленки дуальной
магнетронной распылительной системой».
V. Самостоятельная (внеаудиторная) работа
7 семестр (60 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 самостоятельная проработка теоретического материала;
 подготовка к лабораторным занятиям;
8 семестр (64 часа)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
 самостоятельная проработка теоретического материала;
 подготовка к лабораторным занятиям;
 выполнение курсовой работы;
Варианты заданий для курсовой работы
1. Конструирование цилиндрического магнетронного диода.
2. Разработка круглого магнетронного диода.
3. Конструирование ионного источника с холловским дрейфом
электронов.
4. Дуальная магнетронная распылительная система.
5. Физические принципы инерциального управляемого термоядерного
синтеза.
6. Электродуговые источники плазмы.
7. Магнетронная распылительная система с планарным катодом
8. Конструкция и принципы работы установок “Токамак”
9. Электродуговые источники низкотемпературной плазмы
10.Физические принципы работы установок “Токамак”
11.Инерциальный управляемый термоядерный синтез
12.Физические принципы удержания плазмы в установке “Токамак”
13.Ионный источник с накальным катодом (источник Кауфмана)
14.Ионный имплантер
15.Расчет характеристик плазмы магнетронного разряда
16.Высокочастотная магнетронная распылительная система
17.Нанесение
оксидных
пленок
с
помощью
магнетронной
распылительной системы
18.Открытые ловушки для удержания плазмы
19.
Стелларатор
20.Импульсный сильноточный ускоритель
21.Источники плазмохимического травления
Текущий и итоговый контроль
8
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по
итогам выполнения тестов, индивидуальных заданий, сдаче коллоквиумов и
выполнении курсовой работы.
Итоговым контролем является семестровый экзамен.
Результаты текущего контроля оцениваются в баллах в соответствии с
прилагаемым рейтинг - листом.
Итоговым контролем являются: в седьмом семестре – экзамен, в
восьмом семестре – дифференцированный зачет (по результатам выполнения
курсовой работы).
Рейтинг – лист
по курсу «Фундаментальные вопросы физики плазмы»
для студентов IV курса ФТИ ТПУ
7 семестр
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов;
лекционный рейтинг
- 700 баллов (28 часов*25 балл/час);
рейтинг за коллоквиум – 100 баллов;
8 семестр
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов;
лекционный рейтинг
- 300 баллов (12 часов*25 балл/час);
рейтинг за коллоквиум – 100 баллов;
рейтинг за выполнение курсовой работы – 400 баллов.
Зачет ставится при условии успешного выполнения курсовой работы.
VI Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Кролл, А., Трайвелпис Основы физики плазмы. - М.: Мир, 1975.
2. Л.Д. Ландау, Е. М.Лифшиц Электродинамика сплошных сред. - М.:
Наука, 1992.
3. Е.М. Лифшиц, Л.П.Питаевский Физическая кинетика. - М.: Наука, 1979.
4. Б.А.Трубников Теория плазмы. - М.: Энергоатомиздат, 1996.
5. Б.Б.Кадомцев Коллективные явления в плазме. - М.: Наука, 1976.
6. Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев Физика плазмы для физиков. - М.:
Атомиздат, 1979.
9
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
7. Ф.Чен Введение в физику плазмы. - М.: Мир, 1987.
8. Д.А.Франк-Каменецкий Лекции по физике плазмы. - М.: Атомиздат,
1964.
Дополнительная литература:
9. А.Ф.Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе Основы
электродинамики плазмы. - М.: Высшая школа, 1988.
10.С.И.Брагинский Явления переноса в плазме. – В сб. «Вопросы теории
плазмы» (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Атомиздат, 1963, вып.1, с.183272.
11.В.Д.Шафранов Равновесие плазмы в магнитном поле. – В сб. «Вопросы
теории плазмы»' (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Госатомиздат, 1963,
вып.2, с.92-131.
12.Б.Б.Кадомцев Гидромагнитная устойчивость плазмы. – В сб. «Вопросы
теории плазмы» (Под ред. М. А. Леонтовича). - М., Атомиздат, 1963,
вып.2, с.132-176.
13.В.Д.Шафранов Электромагнитные волны в плазме. – В сб. «Вопросы
теории плазмы» (Под ред. М. А. Леонтовича). - М., Госатомиздат, 1963,
вып. 3, с.3-140.
14.Б.Б.Кадомцев Турбулентность плазмы. – В сб. «Вопросы теории
плазмы» (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Атомиздат, 1964, вып. 4, с.188339.
15.А.Б.Михайловский Теория плазменных неустойчивостей. т. 1. - М.:
Атомиздат, 1975.
16.Д.Роуз, М.Кларк Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции.
- М.: Госатомиздат, 1963.
17.М.Митчелл, Ч.Кругер Частично ионизованные газы. - М.: Мир, 1976.
18.К.Лонгмайр Физика плазмы. - М.: Атомиздат, 1966.
19.Основы физики плазмы. - М.: Атомиздат, 1983, т.1.
20.Г.Бейтман МГД-неустойчивости. - М.: Энергоиздат, 1982.
21.С.Ю.Лукьянов, Н.Г.Ковальский Горячая плазма и управляемый
термоядерный синтез. - М., 1997.
VII Вопросы и задачи к экзамену
7 семестр
ВОПРОСЫ
1. Основные понятия и определения. .Что такое плазма? Классическая и
вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма. Условия
идеальности.
2. Условия экранировки. Радиус Дебая. Число Дебая.
3. .Параметр неидеальности плазмы.
10
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
4. Степень неидеальности. Формула Саха. Константа равновесия.
5. Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное
сечение.
6. Кинетическое уравнение. Интеграл столкновений.
7. Кинетическое
уравнение
с
самосогласованным
полем.
Бесстолкновительное кинетическое уравнение (уравнение Власова).
8. Двухжидкостная магнитная гидродинамика. Уравнение непрерывности.
9. Дрейфовое приближение. Метод получения дрейфовых уравнений.
10.Градиентный дрейф. Центробежный дрейф.
11.Диэлектрическая проницаемость горячей плазмы.
12.Электромагнитные волны. Плазменная частота.
13.Дисперсионное соотношение для электромагнитной волны.
14.Ленгмюровские волны. Дисперсионное соотношение.
15.Затухание Ландау.
16.Плазма газового разряда.
17.Кривая Пашена.
18.Магнитное удержание плазмы.
19.Термоядерные реакции.
20.Критерий Лоусона.
21.Токамак.
22.Пробкотрон.
23.Неустойчивости в плазме.
11