Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 УТВЕРЖДАЮ Декан факультета: ФТФ _____________ В.И.Бойко «_______»___________2009 г. УСКОРИТЕЛИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ Рабочая программа для направления 010700(510400) «Физика», магистерская программа 010720(510420) «Физика ускорителей». (номер и название направления, специальности, специализации) Факультет физико-технический (ФТФ) (полное незнание и сокращенное обозначение) Обеспечивающая кафедра ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ Курс пятый Семестр десятый Учебный план набора _2009_ года с изменениями ________ года Распределение учебного времени Лекции __32_______ часа (ауд.) Практические занятия _ 18______ часов (ауд.) Всего аудиторных занятий ___54_____часа Самостоятельная (внеаудиторная) работа Общая трудоемкость __54_____часа ___108______часов Зачет в 10 семестре 2009 1 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Предисловие 1. Рабочая программа составлена на основе ГОС ВПО по направлению 010700(510400) “Физика”, магистерская программа 010720(510420) "Физика ускорителей", утвержденного 02.03. 2000 г. приказом МО РФ № 866. Номер государственной регистрации 150 техдс от 17.03. 2000 г. РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ, 16.06.2004 г., протокол № 60. 2. Разработчик доцент кафедры Прикладной физики Забаев В.Н. 3. Зав. обеспечивающей кафедрой 4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану. Зав. выпускающей кафедрой Потылицын А.П. выпускающими кафедрами Потылицын А.П. Рабочая программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ФТФ Председатель МК ФТФ_________________________________ Каратаев В.Д. УДК 539.1.07(075.8) Ключевые слова: Электроны, протоны, ионы, синхротрон, бетатрон, циклотрон, тормозное излучение, пучок, ускорение, детекторы, дефектоскопия, активационный анализ, имплантация, изотопы. 2 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 СДМ.02 УСКОРИТЕЛИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 010700(510400) – 010720(510420) (м) Каф. ПФ ФТФ к.ф.- м. н. Забаев Виктор Николаевич +7 (3822)417939 E-mail: zabaev@npi.tpu.ru Цель: формирование знаний и представлений о возможностях и специфике применения радиационных и лучевых технологий в науке, промышленности и других областях народного хозяйства. Содержание: основные типы ускорителей заряженных частиц, характеристики пучков частиц, методы активационного анализа, производство изотопов, ионная имплантация и модификация свойств поверхности материалов, неразрушающий контроль, стерилизация медицинских изделий, сохранение пищевых продуктов, обработка отходов, другие применения ускорителей. Курс 5 (10 сем. – зачет) Всего 108 час., в т. ч. 36 ч. - лекции, 18 ч. – практические занятия, сам. раб. 54 ч. СДM.02. ACCELERATORS FOR INDUSTRY AND SCIENTIFIC RESEARCH 010700(510400) – 010720(510420) (м) Sub-Department for AP at Physico-Technical Department of TPU Cand. physics and mathematics Zabaev V. N. +7 (3822)417939 E-mail: zabaev@npi.tpu.ru Objective: to build knowledge and introduce concepts on feasibilities and special features of applying radiation and beam technologies in science, industry and other areas of national economy. Content: major types of charged-particle accelerators, particle beam characteristics, methods of activation analysis, production of isotopes, ion implantation and surface modification of materials, non-destructive testing, sterilization of medical instrumentation, food-stuff preservation, recycling of wastes, and other accelerator applications. Year at University - 5 (10-th term – passing test, examination) Total length of course - 108 hours, including 36 lecture hours, 18 laboratory hours, and 54 selfstudy hours. 3 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Цели и задачи учебной дисциплины. Цели преподавания дисциплины: Формирование физических представлений об устройстве и принципах работы ускорителей заряженных частиц; об особенностях использования пучков ионизирующих излучений в различных радиационных технологиях в науке, технике, промышленности, и в других сферах деятельности; овладение современными навыками организации и проведения ядерно-физических измерений; развитие навыков самостоятельных исследований, способностей творческого осмысления получаемых результатов. Магистр должен иметь представление: о требованиях и нормах радиационной безопасности; о принципах работы различных ускорителей; о методах математической статистики применительно к обработке результатов измерений; об основах взаимодействия излучения с веществом; об устройстве, принципах работы, основных характеристиках детекторов ядерного излучения; о методах проведения ядерно-физических измерений и исследований; о специальных вопросах пограничных дисциплин (химии, биологии, физики твёрдого тела и т.д.,) в той мере в которой это необходимо для успешного освоения различных радиационных технологий. Магистр должен знать и уметь использовать: основы дозиметрии и защиты от ионизирующих излучений; свойства и характеристики пучков ионизирующих излучений; физические методы регистрации излучения; дефектоскопы, интроскопы; сцинтилляционные и полупроводниковые спектрометры; методы обработки экспериментальных данных, оценки погрешностей эксперимента и расчетов характеристик полей излучения; уметь программировать работу электронной аппаратуры, владеть основами организации измерительно-вычислительного процесса. Магистр должен уметь: владеть математическим аппаратом, позволяющим осуществлять предварительные оценки планируемого эксперимента; применять достижения в области ядерно-физических исследований в других областях знаний; квалифицированно выбирать и использовать аппаратуру для ядерно-физических измерений; ЗАДАЧИ ИЗЛОЖЕНИЯ И ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ РЕАЛИЗУЮТСЯ В СЛЕДУЮЩИХ ФОРМАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ: Лекции, направленные на получение студентами необходимой информации и использование этой информации при решении практических задач; 4 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Практические занятия, направленные на активизацию познавательной деятельности студентов, ориентированные на закрепление теоретического материала и на приобретения студентами навыков самостоятельного решения задач; Самостоятельная внеаудиторная работа, направленная на приобретение навыков самостоятельного решения задач по дисциплине, реализуется в виде практических заданий на семестр по основным разделам дисциплины; Консультации; Текущий контроль за деятельностью студентов осуществляется на лекционных и практических занятиях в виде 15 минутных самостоятельных работ для оценки степени усвоения материала, а также в виде индивидуальной защиты заданий; Проведение экскурсий по лабораториям и установкам ТПУ; Рубежный контроль включает две контрольные работы; 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-листом дисциплины; к экзамену допускаются студенты набравшие не менее 550 баллов по всем видам контроля. Содержание теоретического раздела дисциплины (36 ЧАС.) Тема 1 2 Ускорители заряженных частиц Ядерно-физические методы анализа 3 4 5 6 Получение радиоизотопов Эффекты облучения в твёрдых телах Ускорители в неразрушающем контроле Радиационно-химические и радиационно-биологические процессы Лучевая терапия Лучевая диагностика 7 8 Время, час 6 6 4 4 4 4 4 4 ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ (18 ЧАС.) Тема 1 Линейный резонансный ускоритель электронов 2 Радиационно-химические технологии. Градуировка химического дозиметра на пучке линейного ускорителя Бетатрон. Микротрон, знакомство с устройством и принципом работы. Исследование спектров ХРИ атомов различных элементов на электронном пучке микротрона 3 4 5 Время, час 4 4 4 4 6 5 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Обеспечение учебной литературой. Дисциплина в полном объёме обеспечена учебниками и учебными пособиями издательств: “Энергоатомиздат”, “Мир” и др., имеющимися в достаточном количестве в НТБ, а также методическими пособиями, разработанными преподавателями кафедры ПФ и изданными издательством ТПУ. Основная литература для постоянного пользования имеется на кафедре. Основные учебники и учебные пособия: 1. Рябухин Ю.С., Шальнов А.В.,Ускоренные пучки и их применение. Атомиздат, 1980. 2. Абрамян Е.А., Промсышленне ускорители электронов. Энергоатомиздат, 1986. 3. Клюев В.В. и др. Неразрушающий контроль с источниками высоких энергий. Энергоатомиздат, 1989. 4. Мамиконян С.В. Аппаратура и методы флуоресцентного рентгено-радиометрического анализа. Атомиздат, 1976. 5. Коляда В.М., Зайченко А.К., Дмитриенко Р.В. Рентгено-спектральный анализ с ионным возбуждением. Атомиздат, 1978. 6. Боуэл Г., Гиббонс Д. Радиоактивационный анализ. Атомиздат, 1968. 7. Бурмистенко Ю.Н. Фотоядерный анализ состава вещества. Энергоатомиздат, 1986. 8. Фролов В.В. Ядерно-физические методы контоля делящихся веществ. Энергоатомиздат, 1989. 9. Москалёв В.А. Бетатроны. Энергоиздат, 1981. 10. Барашенков В.С. Новые профессии тяжёлых ионов. Атомиздат, 1977. 11. Кравчук А.С. Основы компьютерной томографии.Изд. Дрофа, М., 2001. 12. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. Атомиздат, 1977. 13. Изотопы: свойства, получение, применение. Под. Ред. Баранова В.Ю. М., Изд. АТ, 2000. 14. Соколов В.А. Генераторы короткоживущих радиоактивных изотопов. Атомиздат, 1986. Имеется в наличии в НТБ не менее чем по 3 экземпляра, а основных учебников, таких, как перечисленных в выше приведенном списке под номерами 1, 6, 7, 8, 10, не меньше 30 экземпляров. Дополнительные учебники и учебные пособия: 15. Абрамов А. И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. Изд. 2-е. М.: Атомиздат, 1977. –528 с. 16. Кашковский В.В. Специальный физический практикум. Курс лекций. Часть 1и 2: Учебное пособие.– Томск: Изд. ТПУ, 2002. 17. Клайнкнехт К. Детекторы корпускулярных излучений: Пер. с нем. – М.: Мир, 1990. – 224с., ил. 18. Волков Н.Г., Христофоров В.А., Ушакова Н.П. Методы ядерной спектрометрии: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.: ил. 6 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 19. Ободовский И.М. Сборник задач по экспериментальным методам ядерной физики: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1987. — 280 с.: ил. 20. Тустановский В.Т. Оценка точности Атомиздат, 1976. и чувствительности активационного анализа. 21. Ревенко А.Г. Рентгено-спектральный флюоресцентный анализ природных материалов. Наука, 1994. 22. Гусев Н.Г., Дмитриев П.П. Радиоактивные цепочки. Справочник. Атомиздат, 1978. 23. Дутов А.Г., Леушкина Г.В., Комар В.А. Активационный анализ в науке и технике. Мир, 1991. 24. Флёров Г.И., Берзина И.Г. Радиография минералов, горных пород и руд. Атомиздат, 1979. 25. Вандекастеле К. Активационный анализ. Мир, 1991. 26. Иванов В.И. Курс дозиметрии. Изд. 2. Учебник для вузов. М.: Атомиздат, 1970. – 392 с. 27. Принципы и методы регистрации излучений. Под ред. Люк К., Бу Ц.О. Том 1-4. – М.: ИЛ, 1964. 28. Зрелов В.П. Излучение Вавилова - Черенкова и его применение в физике высоких энергий. – М.: Атомиздат, 1968. 29. Столяров Е.Л. Прикладная спектрометрия ионизирующих излучений. – М.: Атомиздат, 1964. Вопросы к экзамену по курсу “УСКОРИТЕЛИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ” 1. Ускорители прямого действия. Принцип действия, примеры. Преимущества и недостатки. 2. Циклические ускорители с постоянным во времени магнитным полем. Принцип действия на примере циклотрона. Преимущества и недостатки. 3. Циклические ускорители с переменным во времени магнитным полем. Электронный синхротрон. Принцип действия. Параметры, особенности. 4. Бетатроны. Принцип действия. Сфера применения. Преимущества и недостатки. 5. Линейные ускорители. Принцип действия. Преимущества и недостатки. 6. Получение радиоизотопов на циклотронах. 7. Получение радиоизотопов на ядерных реакторах. 8. Получение радиоизотопов на микротронах и линейных ускорителях. 9. Получение радиоизотопов на Томском циклотроне. 10. Получение радиоизотопорв на Томском ядерном реакторе. 11. Тепловое воздействие интенсивных пучков электронов на вещество. Электронные пушки. 12. Основные принципы, задачи, подходы активационного анализа. Уравнение активации. 13. Нейтронно-активационный анализ. Особенности и методы. 14. Источники нейтронов (ампульные, нейтронные генераторы, ускорители, атомн. реакторы). 15. Особенности активационного анализа на пучках заряженных частиц. 16. Применение активационного анализа на пучках заряженных частиц. 17. Фотоядерный анализ вещества (особенности, основные методы ФА) 18. Рентгено-флюоресцентный анализ вещества (РФА) –особенности, области применения. 7 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 19. Способы возбуждение рентгеновской флюоресценции. 20. Основные механизмы взаимодействия рентгеновского излучения с веществом. 21. Возбуждение рентгеновской флюоресценции заряженными частицами. 22. Р/А источники для РФА. 23. Ионная имплантация, общие понятия. 24. Легирование кремния на примере ЯР НИИ ЯФ. 25. Модификация поверхностных свойств материалов (радиационные технологии) – общие понятия. 26. Ионно- плазменная обработка поверхностей материалов. 27. Примеры применения методов ионно- плазменной обработки поверхностей. Изменение механических свойств материалов. 28. Радиационно-химические процессы. Модификация полимеров. 29. Радиационно- биологические процессы. Радиационная микробиология. Стерилизация продуктов. 30. Обезвреживание и обработка отходов с помощью радиационной технологии. 31. Радиационная дефектоскопия. Общие понятия. 32. Радиационные интроскопы. Применение методов радиационной интроскопии в различных сферах. 33. Радиационная вычислительная томография – общие принципы. Основные направления. 34. Изготовление ядерных фильтров. Области применения. 8 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Примеры практических заданий: Задание 1. В последние годы удалось создать сильноточные релятивистские электронные ускорители. Рассмотрите один из таких ускорителей со следующими параметрами: ток I = 1 МА, энергия электронов W = 2 МэВ, длительность импульса τ = 60 нс, диаметр пучка = 1 см. Дайте ответ на следующие вопросы: 1) Какова кинетическая энергия E всех электронов, испускаемых за один импульс? Каково общее число электронов N ? 2) Во сколько раз магнитная энергия пучка превышает кинетическую, если длина пучка l = 1 м? 3) Какие радиальные силы действуют на электроны пучка, если предположить, что плотность пучка распределена по сечению равномерно? 4) Можно ли компенсировать силы расталкивания электронов с помощью покоящихся ионов, равномерно расположенных в электронном пучке? Укажите, каким условиям должна удовлетворять плотность ионов, чтобы результирующие силы, действующие на ионы и электроны, были направлены к оси пучка. Задание 2. Бетатроном называют установку для получения заряженных частиц большой энергии. Между полюсами электромагнита, ток возбуждения которого может изменяться во времени по заданному закону, помещают вакуумную камеру, в которой частица может свободно двигаться по окружности. Ускорение осуществляется за счёт вихревого электрического поля, возникающего из-за изменения магнитного поля. Показать, что если магнитный поток Ф(R), проходящий через орбиту частицы, в каждый момент времени в два раза больше, чем R2 HR, где R – радиус орбиты, а H(R) – магнитное поле на орбите, то радиус орбиты 2 частицы не будет изменяться. Доказать, что если Ф(R) > 2R H(R) , то радиус орбиты 2 частицы будет увеличиваться, а если Ф(R) < 2 R H(R) , то радиус орбиты частицы будет уменьшаться. При доказательстве предположить, что магнитное поле зависит лишь от радиуса R, и что орбиты являются окружностями, центр которых лежит на оси симметрии. Кроме того, следует предположить, что поток Ф и магнитное поле Н изменяются синфазно: Ф(t) = Ф(R)·f(t), H(t) = H(R)·f(t). Задание 3. Доказать, что орбиты заряженных частиц в предыдущей задаче будут устойчивы в радиальном направлении, если магнитное поле уменьшается к периферии по закону 1/R n при n < 1. Доказать более общее утверждение, что движение в радиальном направлении R H будет устойчивым, если < 1, где H(R) – произвольное магнитное поле с осевой H R симметрией. Задание 4. 9 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Доказать, что в магнитном поле с осевой симметрией (как у бетатрона, см. задачу 2) движение по окружности с центром, лежащим на оси симметрии поля, будет устойчивым относительно смещения от средней плоскости в вертикальном направлении (т.е. в направлении оси симметрии поля), если магнитное поле уменьшается к периферии, и будет неустойчивым, если магнитное поле возрастает к периферии. Задание 5. В бетатроне положение равновесной орбиты R0, удовлетворяющее условию Ф(R0) = 2R02H(R) (см. задачу 2), соответствует минимуму вихревого электрического поля E . Доказать это свойство и показать, как оно может быть использовано для нахождения равновесной орбиты в бетатроне. Ответы и решения: Задание 1. W 5 I 1 , 2 10 Дж . 1). Энергия всех электронов E e 2). Отношение магнитной знергии к кинетической энергии ev I l 1 K ln 36 ,4 . 2 c cW a4 2 2 mc 2 Ie c v eI 2 r r . 3). F r 2 2 2 v c ca mc W ca 4). Для того чтобы силы, действующие на ионы и электроны, были направлены к оси, 2 2 mc n n Z n необходимо, чтобы e i e 2 ,где ne - плотность электронов, ni - плотность mcW ионов, Ze заряд ионов. Действительно, Fi 2 e2Zn n Zr , i e 2 2 mc F 2 e n Zn r , e e 2 i mc W 2 I I n 2, e 2 e av e ac Задание 2. Если E полная энергия электрона, то dE e r , dt c 2 R /Eциклотронная частота для электрона. Радиус орбиты электрона в где ecH mcv E , v / c. магнитном поле равен R R где eHeH 1 0 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Дифференцируем R : dR R dE H H 2 R R . dt H R Edt R H /dt dW /dt , после несложных n и помня, что dE H R преобразований найдем 1 n dR H R 1 . 2 Rdt H 2 R H /Hследуют утверждения, подлежащие доказательству. Здесь /H Отсюда при условии точкой обозначена частная производная по времени. Задание 3. Рассмотрение устойчивости движения можно свести к статической задаче, переходя к вращающейся системе координат. Во вращающейся системе на частицу действует центробежная сила mv 2 / R и сила Лоренца eHRv . Результирующая сила c 2 mv eH R v f R . R c Движение по окружности постоянного радиуса R0 в нашей системе соответствует положению равновесия: 2 mv eH R v f R . 0 R c 0 Движение по окружности постоянного радиуса R0 в нашей системе соответствует положению равновесия: Для того чтобы это положение равновесия было устойчивым, сила f R должна быть восстанавливающей. Это значит, что при R R0 сила f должна быть меньше нуля, т.е. направлена в сторону меньших радиусов. Наоборот, при R R0 сила f должна быть больше нуля, т.е. направлена в сторону больших радиусов. Легко видеть, что это осуществляется, если H R убывает не быстрее, чем 1 / R. Указанное выше требование к f может быть перенесено на df / dR, так как f R0 0, и, Вводя обозначение следовательно, в окрестности R0 функция f R fR R . 0 R Отсюда легко найдем, что для устойчивости необходимо, чтобы R H 1. H R Задание 4. Магнитное поле, уменьшающееся к периферии магнита, имеет « бочкообразный » вид ( рис. 22). Стрелками показано направление действия силы Лоренца на ионы, находящиеся вне центральной плоскости. Рассматривая действие на заряженную 1 1 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 частицу компоненты поля, направленной вдоль радиуса, легко доказать устойчивость движения. Наоборот, если поле растет к периферии, то магнитные силовые линии втягиваются внутрь магнита, и движение будет неустойчивым. Аналитическое доказательство следующее. Сила, действующая в направлении оси Z ( ось Z совпадает с осью симметрии поля ), равна H ev ev f z , r rz , z H r c c z так как в силу симметрии Hr 0,r0. Из условия rotH 0 получим Hr Hz H ev z ; отсюда fz z. z r c r Для того чтобы сила f z была восстанавливающей ( см. задачу 330 ), производная H z / r должна быть меньше нуля. Задание 5. /2 . Легко доказать, что при выполнении бетатронного условия (см. задачу 2) E Rc R H E /R0 и 2E/ R2 0 , если 1. H R Расположим витки на разных орбитах в бетатроне и измерим э.д.с. индукции. Построим график, на котором по оси ординат отложим э.д.с. индукции, деленную на 2R, а по оси абсцисс отложим радиус R , на котором находился виток. Полученные точки соединим плавной кривой. Ее минимум будет соответствовать положению равновесной орбиты. 1 2 Рабочая программа учебной дисциплины Ф ТПУ 7.1-21 Рейтинг-план По дисциплине “ Ускорители в промышленности и научных исследованиях” для направления 010700 (510400) «Физика ускорителей» девятый семестр. Лектор: Забаев Виктор Николаевич Оценки: «отлично» – более 850 баллов; «хорошо» – 701-850 баллов; «удовлет.» – 551- 700 баллов. Название модуля Источники излучения Активацион ный анализ. Ускорители в неразрушаю щем контроле. Лекции Тема 1.Ускорители заряженных частиц. Основные типы ускорителей, принцип действия, параметры, применение. 2.Пучки частиц, их характеристики. 3. .Активационный анализ. 4.Ускорители в неразрушающем контроле Лаб. Работы Тема Балл Балл 50 35 15 10 Практические занятия Тема Балл 1.Знакомство с линейным ускорителем электронов. 2.Знакомство с бетатроном. 3. Знакомство с микротроном. 30 20 20 20 40 – . . 30 10 – Домашние з Тема 1.Ускорители заряженных частиц. Основные типы ускорителей, принцип действия, параметры, применение. 2.Пучки частиц их характеристики 3. .Активационный анализ. 4. Ускорители в неразрушающем контроле 20 20 1 3 Рабочая программа учебной дисциплины Эффекты облучения в твёрдых телах. Другие применения ускорителей . Ф ТПУ 7.1-21 5. Модификация поверхностных свойств материалов и изделий. 6..Легирование кремния. 7. Наработка изотопов. 8.Стерилизация. Обеззараживание отходов. Итого: 5. Модификация поверхностных свойств материалов и изделий. 6..Легировыание кремния. 7. Наработка изотопов. 8.Стерилизация. Обеззараживание отходов. 50 20 30 – 30 400 – Утверждаю: Зав. кафедрой Составил А.П. Потылицын В. 1 4