03.06.01 - Физика плазмы

ПРОГРАММА
вступительного экзамена по специальности
по направлению подготовки 03.06.01 - Физика и астрономия,
профиль подготовки
Введение
Значение предмета «Физика плазмы», как быстро развивающейся области науки, на
основании которой создаются новые отрасли техники и организуются новые отрасли производства
и промышленности. Постоянно расширяются традиционные и возникают новые направления
практического применения плазмы в области высоких технологий, в машиностроении,
металлургии, микроэлектронике, плазмохимии, экологии, медицине, транспорте и других областях
технике.
Основные понятия и определения
Понятие плазмы, квазинейтральность, микрополя, дебаевский радиус. Условия
термодинамического равновесия. Термическая ионизация. Формула Саха. Упругие и неупругие
столкновения частиц. Процессы ионизации и рекомбинации заряженных частиц. Потенциал
ионизации.
Квантово-механические состояния и энергетические уровни в плазме. Элементарные
процессы. Динамика частиц и процессы переноса. Колебания, волны и пограничные слои.
Турбулентность. Критерия подобия. Генерация плазмы и газовые разряды. Классификация
разрядов и методов генерации. Неравновесная плазма и функция распределения электронов в
электрическом поле. Тлеющий разряд постоянного тока. Высокочастотные разряды низкого и
среднего давления. Дуговой разряд и его модификации. Разряды в электромагнитных полях.
Пробой в электрических разрядах. Генераторы низкотемпературной плазмы.
Плазмодинамика
Силы, действующие на плазму в электромагнитном поле. Уравнение Максвелла. Движение
частиц в электромагнитных полях. Движение в скрещённых электрическом и магнитном полях.
Заряженная частица в высокочастотном поле. Проникновение магнитного поля в плазму,
“вмороженность” магнитного поля.
Диагностика плазмы
Диагностика плазменных процессов. Физические задачи и методы спектральной и
оптической диагностики. Получение и обработка оптических и спектральных данных.
Микроскопические исследования плазмы. Зондовые методы диагностики. Микроволновая
диагностика. Исследования плазмы методами масс-спектроскопии.
Воздействие плазмы на твёрдые материалы
Взаимодействие плазмы с конденсированным веществом, основные процессы,
определяющие массообмен и энергобаланс – поверхность твёрдого тела. Распыление.
Модификация поверхности твёрдых тел. Плазма с конденсированным веществом. Испарение и
конденсация.
Химические процессы в низкотемпературной плазме. Кинетика и механизм газофазных
плазмохимических процессов. Моделирование процессов в неравновесной плазме. Функции
распределения электронов по энергиям и скорости процессов, инициированных электронным
ударом. Химическая активность неравновесной плазмы. Образование макрочастиц и их
конденсация.
Прикладные задачи физики плазмы
1.
Химические реакции в равновесной и неравновесной плазме. Механизм и кинетика
плазмохимических реакций. Энергетика химических реакций в плазме. Закалка продуктов
плазмохимических процессов. Получение нано и ультрадисперсных порошков.
Диагностика химически активной плазмы. Технологические процессы на основе
низкотемпературной плазмы.
Мощные генераторы плазмы – плазмотроны.
Высокочастотные плазмотроны. Источники электропитания плазмотронов. Нанесение
покрытий и плёнок. Активация высокомолекулярных соединений. Модификация
поверхности материалов. Плазменная металлургия.
2.
Аппаратурно- технологическая квалификация плазменных металлургических
процессов. Струйно – плазменные процессы. Математическое моделирование, как метод
управления плазменными процессами. Плазменная нанопорошковая металлургия.
3.
Особенности взаимодействия плазмы с металлургическими расплавами. Процессы
плазменного переплава и легирования. Плазменная восстановительная плавка.
4.
Установление
рациональных
схем
и
оборудования
для
получения
низкотемпературной плазмой порошков и покрытий.
5.
Изучение изменения фазового, химического, структурного состояния и размеров
исследуемого вещества (порошки и покрытия) в зависимости от состава и мощности
плазмы. Влияние параметров дугового разряда на его геометрические параметры (диаметр
и длина дуги) и коэффициент передачи тепловой энергии плазменному потоку.
6.
Структура и физические свойства наноразмерных порошков полученных при
плазмохимическом синтезе. Новые методы исследований наноструктурных порошковых
материалов и покрытий.
7.
Особенности структурных состояний, химические и
физические свойства
наноструктурных порошковых материалов и покрытий.
8.
Плазменное рафинирование и легирование металлов и сплавов. Плазменная резка и
сварка материалов. Плазменное нанесение покрытий и обработка поверхности. Плазменное
получение гранулированных, порошкообразных и ультрадисперсных материалов.
9.
Концепция создания энергометаллургического комплекса.
Основная литература
1.
Ю.В.Цветков, С.А.Панфилов. Низкотемпературная плазма
в процессах
восстановления. М.: Наука. 1980.
2.
Е.К.Казенас, Ю.В.Цветков. Термодинамика испарения оксидов. М.: ЛКИ. 2008.
3.
Физика и химия плазменных металлургических процессов (под ред. академика
Патона Б.Е.) М.: Наука, 1985.
4.
Плазменная металлургия. Цветков Ю.В., Николаев А.В., Панфилов С.А. печ.
Новосибирск: Наука, Сиб. Отделение. 1992.
5.
Калита В.И., Комлев Д.И Плазменные покрытия с нанокристаллической и аморфной
структурой. М.: Лидер. 2008.
6.
Высокоэнергетические процессы обработки материалов. (Низкотемпературная
плазма, т.18) Под ред. ак. Жукова М.Ф. и чл.-корр. Фомина В.М. Новосибирск: Наука.СИФ
РАН. 2000.
7.
Чередниченко В.С., Аньшаков А.С., Кузьмин М.Г. Плазменные электротехнические
установки Новосибирск: изд. НГТУ, 2005.
8.
Даутов Г.Ю., Тимошевский В.Н., Аньшаков А.С. Генерация низкотемпературной
плазмы и плазменные технологии. Проблемы и перспективы. Новосибирск: Наука. 2004.
9.
Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М.. Наноматериалы.
Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения - М.:
Угрешская типография, 2007. 102 с.
10.
Дополнительная литература
1.
Кудинов В.В., Иванов В.М. Нанесение в плазме тугоплавких покрытий. М.:
Машиностроение. 1981.
2.
Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука. 1977.
3.
Жуков М.Ф., Тимошевский А.Н., Ващенко С.П. Плазмотроны. Новосибирск, изд. СО
РАН, 1995.
4.
Рыкалин Н.Н., Углов П.А., Анищенко Л.М. Высокотемпературные технологические
процессы. Теплофизические основы. М. Наука, 1985.
5.
Франк - Каменецкий Д.А. Лекции по физике плазмы. М.: Атомиздат, 1968.
6.
Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975.
7.
Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.: Атомиздат, 1979.
8.
Рыкалин Н.Н., Углов П.А., Анищенко Л.М. Высокотемпературные технологические
процессы. Теплофизические основы. М. Наука, 1985, 172 с.
9.
Р.У. Каламазов, Ю.В. Цветков. Высокодисперсные порошки вольфрама и
молибдена. М., Металлургия, 1988. 193 с.
10.
Цветков Ю.В. Термическая плазма в нанотехнологиях. Наука в России, 2006, № 2,
с.4-9.
11.
А.В. Самохин, Н.В. Алексеев, Ю.В. Цветков. Плазмохимические процессы создания
нанодисперсных порошковых материалов. Химия высоких энергий, 2006, т.40, № 2,
с.120-126
12.
Цветков Ю.В. Физикохимия плазменной металлургии. Технология металлов, 2006,
№ 4, с.7-14
13.
Цветков Ю.В., Самохин А.В. Плазменная нанопорошковая металлургия.
Автоматическая сварка, 2008, ноябрь, с.171-175
14.
А.Г. Асташов, А.В. Самохин, Ю.В. Цветков, Н.В. Алексеев Тепломассоперенос в
плазменном реакторе с ограниченным струйным течением в процессах получения
нанопорошков. Химия высоких энергий, 2012, том 46, № 4, с. 327-330.
15.
Николаев А.А., Кирпичёв Д.Е., Николаев А.В., Цветков Ю.В. Расчёт
энерготехнологических параметров плазменного жидкофазного восстановительного
реактора. Физика и химия обработки материалов, 2010, № 6, с. 30 – 37.
16.
Николаев А.В., Кирпичёв Д.Е., Николаев А.А., Цветков Ю.В. Энергоэффективное
применение плазменной печи при восстановлении титаномагнетитового концентрата.
Главный энергетик, № 3, 2012, с. 26 – 36.