Документ 825594

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УТВЕРЖДАЮ
Директор ФТИ
_____________О.Ю.Долматов
«_____»___________2014 г.
Основы физики газового разряда
(название дисциплины)
Рабочая программа для направления 16.03.01 «Техническая физика»
________________________________________________________________
(номер и название направления, специальности, специализации)
Физико-технический институт
Обеспечивающая кафедра_Водородной энергетики и плазменных технологий
Курс четвертый
Семестр 7
Учебный план набора бакалавров 2014 года
Распределение учебного времени
Лекции
Практические занятия
Лабораторные занятия
Всего аудиторных занятий
Самостоятельная (внеаудиторная)
работа
32 час
32 час
32 час
96 час
120 час
Общая трудоемкость
216 час
Форма обучения: очная
Вид промежуточной аттестации: дифференцированный зачет, экзамен
Обеспечивающее подразделение: кафедра ВЭПТ ФТИ
Заведующий кафедрой ВЭПТ
________________
Кривобоков В.П
Руководитель ООП «Техническая физика»
________________
Блейхер Г.А.
Преподаватель
_________________
2014
Янин С.Н.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
____________________________________
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Аннотация
Основы физики газового разряда
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.
Тел.: (3822)-41-79-54
E-mail: [email protected]
The summary of the program on discipline "The Fundamentals of the Gas Discharge".
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 professor S.N.Yanin, The Hydrogen Energy and Plasma
Engineering Department of The Natural Science and Mathematical Faculty.
E- mail: [email protected]
3
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;
 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;
4
Рабочая программа учебной
дисциплины

Ф ТПУ 7.1-21
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 32 часа)
Часть 1. (4 часа)
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. (4 часа)
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.
Часть 3. (6 часов)
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. (2 часа)
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.
Часть 5. (2 часа)
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
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. (2 часа)
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. (4 часа)
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. (2 часа)
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. (4 часа)
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
1. ЛБ №1 «Исследование вольт – амперных характеристик магнетронного диода» (2
часа).
2. ЛБ №2 « Измерение скорости напыления магнетронным диодом» (2 часа).
3. ЛБ №3 «Исследование скорости травления ионным источником с холловским дрейфом
электронов» (2 часа).
4. ЛБ №4 «Исследование спектральных характеристик плазмы магнетронного разряда»
(2 часа).
5. ЛБ №5 «Исследование вольт – амперных характеристик тлеющего разряда» (2 часа).
6. ЛБ №6 «Исследование вольт – амперных характеристик дуальной магнетронной
распылительной системы» (2 часа).
7. ЛБ №7 «Исследование спектральных характеристик плазмы дуальной магнетронной
распылительной системы в режиме напыления оксидной пленки» (2 часа).
8. ЛБ №8 «Исследование вольт – амперных характеристик магнетронного диода с
жидкофазной мишенью» (2 часа).
9. ЛБ №9 «Исследование вольт – амперных характеристик ионного источника с
холловским дрейфом электронов» (2 часа).
10. ЛБ №10 «Исследование спектральных характеристик плазмы дуальной магнетронной
распылительной системы в режиме напыления металлической пленки» (2 часа).
11. ЛБ №11 «Исследование Спектральных характеристик плазмы тлеющего разряда» (2
часа).
12. ЛБ №12 «Исследование спектральных характеристик плазмы магнетронного диода с
жидкофазной мишенью» (5 часов).
13. ЛБ №13 «Измерение скорости напыления оксидной пленки дуальной магнетронной
распылительной системой» (5 часов).
V. Самостоятельная (внеаудиторная) работа
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
 самостоятельная проработка теоретического материала;
 подготовка к лабораторным занятиям;
 самостоятельная проработка теоретического материала;
 подготовка к лабораторным занятиям;
 выполнение курсовой работы ;
Варианты заданий для курсовой работы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Конструирование цилиндрического магнетронного диода.
Разработка круглого магнетронного диода.
Конструирование ионного источника с холловским дрейфом электронов.
Дуальная магнетронная распылительная система.
Физические принципы инерциального управляемого термоядерного синтеза.
Электродуговые источники плазмы.
Магнетронная распылительная система с планарным катодом
Конструкция и принципы работы установок “Токамак”
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
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
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
экзамен и дифференцированный зачет (по
результатам выполнения курсовой работы).
VI Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
Основная литература:
1. Лекции по основам физики плазмы [Электронный ресурс]: учебное пособие
/ С. Н. Янин; Национальный исследовательский Томский политехнический
университет (ТПУ), Физико-технический институт (ФТИ), Кафедра водородной
энергетики и плазменных технологий (ВЭПТ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2012
Ч. 1. — 1 компьютерный файл (pdf; 1.2 MB). — 2012. — Заглавие с титульного
экрана. — Доступ из корпоративной сети ТПУ. — Системные требования: Adobe
Reader..
Схема доступа: http://www.lib.tpu.ru/fulltext2/m/2013/m152.pdf
2. Голант, В. Е.Основы физики плазмы : учебное пособие / В. Е. Голант, А. П.
Жилинский, И. Е. Сахаров. — 2-е изд., испр. и доп.. — СПб.: Лань, 2011. — 448 с.
Схема доступа: http://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_cid=25&pl1_id=1550
3. Биттенкорт, Жозе А.Основы физики плазмы : пер. с англ. / Ж. А. Биттенкорт. —
Москва: Физматлит, 2009. — 584 с.
Дополнительная литература:
1. Миямото, Кенро Основы физики плазмы и управляемого синтеза : пер. с англ. / К.
Миямото. — Москва: Физматлит, 2007. — 424 с.
2. Кингсеп А.С. Введение в нелинейную физику плазмы : учебное пособие / А. С.
Кингсеп. — Москва: МЗ-пресс Отарашвили, 2004. — 263 с.
8
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
3. Королев Ю.Д. Элементарные и кинетические процессы в газоразрядной плазме :
учебное пособие / Ю. Д. Королев; Томский политехнический университет (ТПУ).
— Томск: Изд-во ТПУ, 2009. — 116 с.
Программное обеспечение и Internet-ресурсы:
http://www.lib.tpu.ru/ - Научно-техническая библиотека ТПУ
http://elibrary.ru/ - Научная электронная библиотека
http://www.sciencedirect.com/
http://www.springerlink.com/
http://www.physics-online.ru/
VII Вопросы и задачи к экзамену
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.
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.
9