Electrophysical and Plasma Sources

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета: ЕНМФ
____________ Ю.И. Тюрин
«_____»___________2006 г.
Электрофизические и плазменные установки
(название дисциплины)
Рабочая программа для направления 010700 «Физика»
________________________________________________________________
(номер и название направления, специальности, специализации)
Факультет Eстественных наук и математики (ЕНМФ)
(полное название и сокращенное обозначение)
Обеспечивающая кафедра_Водородной энергетики и плазменных технологий
(ВЭПТ)
Курс четвертый
Семестр 7
Учебный план набора 2006 года с изменениями ________ года
Распределение учебного времени
16
часов (ауд.)
Лекции
Лабораторные занятия
Практические (семинарские) занятия
Курсовой проект в
__
16
семестре
Курсовая работа в__семестре
часа (ауд.)
часов (ауд.)
часа (сам.)
_____
часов (ауд.)
Всего аудиторных занятий
32
часа
Самостоятельная (внеаудиторная)
работа
Общая трудоемкость
48
часов
80
Экзамен в семестрах
Зачет в семестре
_7___
2009
часов
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
I Предисловие
1. Рабочая программа составлена на основе ГОС по направлению 010700
“Физика” (степень магистр физики) № 177 ЕН от 17.03. 2000 г.
ОС ТПУ-07 2001 г.________________
(наименование документа университетского уровня)
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры
Водородной энергетики и плазменных технологий …..__ ………. 2009 г.
протокол № ….
2. Разработчик
Профессор каф. ВЭПТ ______________ Г.Е. Ремнев
3. Зав. обеспечивающей кафедры Водородной энергетики и плазменных
технологий, профессор_ ______________ В.П. Кривобоков
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающей
кафедрой специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедры Водородной энергетики и плазменных
технологий, профессор_ ______________ В.П. Кривобоков
Рабочая программа рассмотрена и одобрена методической комиссией ЕНМФ
Председатель МК ЕНМФ
____________
Ю.В. Тюрин
Документ:
Дата разработки
__________________________________________________________________
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УДК 621.384.6 +539.12.04
Ключевые слова: электрофизическая установка, источник пучков
заряженных частиц, ускоритель прямого действия, плазменный источник,
электронно-оптическая система, пучки заряженных частиц, электрон, ион,
диагностика пучков, взаимодействие, абляционная плазма.
Аннотация
Электрофизические и плазменные установки
010700 (б)
Каф. ВЭПТ ЕНМФ
Профессор, д.т.н. Ремнев Геннадий Ефимович
Тел.(3822)-419158; e- mail: remnev@hvd.tpu.ru
Цель: формирование знаний и умений для решения научных и
практических задач, связанных с применением пучков заряженных частиц и
плазменных источников.
Рассмотрены следующие вопросы: плазменные и твердотельные
источники электронов, формирование электронного пучка в планарном
диоде, физические основы генерации мощных ионных пучков, типы
плазменных источников, транспортировка пучков заряженных частиц.
Основные типы импульсных источников мощных электронных и ионных
пучков, плазменные источники для обработки материалов, осаждения тонких
пленок.
Курс 4 (7 сем  экзамен)
Всего 80 ч, в т. ч. Ауд. 48, Лк 16 ч, Пр 16 ч,.
Разработчик программы профессор кафедры "Водородной энергетики и
плазменных технологий" ЕНМФ Ремнев Геннадий Ефимович.
Тел.(3822)-419158
E-mail remnev@hvd.tpu.ru
The summary of the program on discipline "Generation and application
charged particle beams”
The content of the course: Pulse and continuous beams generation of charged
particle beams and plasma; beams transportation, beams and plasma action to
materials,; beams and plasma application in areas: radiation and plasma
technology, radiation chemistry, biology, materials treatment. The program is
developed by professor Gennady Remnev, The Hydrogen Energetics and Plasma
Technologies Chair of Natural Sciences and Mathematics Department.
E- mail: remnev@hvd.tpu.ru
3
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
II Цели и задачи учебной дисциплины
В настоящее время человечество достаточно широко использует
электрофизические установки, включающие импульсные источники
высокого напряжения, импульсные и непрерывные ускорители заряженных
частиц, плазменные источники. Область их применения в мировой практике
достаточно широка: электроразрядные технологии в добывающей
промышленности, переработке минерального сырья, экологии, пучковоплазменные
технологии
в
полупроводниковой
электронике,
машиностроении,
экологии.
Развиваются
радиационно-физические,
радиационно-химические,
радиационно-биологические
технологии.
Воздействие пучков заряженных частиц является основным способом
исследования структуры конденсированного вещества и наряду с
плазменными источниками одним из радикальных способов изменения его
физических, химических и биологических свойств, создания новых
экологически чистых технологий, энергосберегающих технологий. Поэтому
представителям различных специальностей, использующих в своей работе
источники высокого напряжения, пучков заряженных частиц, плазмы
необходимо иметь представление об основных принципах, методах
генерации высокого напряжения, ускорения заряженных частиц, типах
соответствующих электрофизических и плазменных источников которые
применяются в существующих и разрабатываемых перспективных
технологических процессах.
Дисциплина “ Электрофизические и плазменные источники” является
обязательной
дисциплиной
специальности
«…..
……………………………………………».
Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при
изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Общая физика”, “Атомная
физика”, «Физика твердого тела», «Фундаментальные вопросы физики
плазмы».
Цель преподавания дисциплины: формирование физических
представлений о закономерностях формирования импульсного высокого
напряжения, получения ускоренных заряженных частиц, плазмы, для
применения этих знаний при работе в различных областях научной и
практической деятельности, связанной с применением электрофизических и
плазменных источников.
Цели преподавания дисциплины характеризующие знания и умения,
которыми должен владеть специалист:
специалист должен иметь представление:
 о методах формирования заряженных частиц в вакуумных диодных
системах, типах импульсных ускорителей заряженных частиц;
4
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 принципы
формирования
мощных
ионных
пучков
в
магнитоизолированных и отражательных диодных системах;
 основные типы плазменных источников;
 основные принципы формирования импульсного высокого
напряжения;
специалист должен знать:
 принцип работы импульсных источников высокого напряжения на
основе импульсных трансформаторов и генераторов АркадьеваМаркса;
 методы измерения высокого напряжения, тока пучка, энергии
переносимой пучком;
 закон Чайльда-Ленгмюра при ускорении заряженных частиц в
планарном диоде;
 закономерности взрывной эмиссии электронов;
 пробивные напряжения в однородном электрическом поле газов,
жидкости, твердых диэлектриков;
 плазменные источники с накаливаемым катодом, дуговые и
магнетронные источники плазмы.
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих
формах деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации и ее
использовании при решении практических задач;
 практические
занятия,
направленные
на
активизацию
познавательной деятельности студентов и приобретения ими
навыков решения практических и проблемных задач;
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде специальных практических
заданий по всем разделам дисциплины;
 консультации по материалам лекций и самостоятельной 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;
 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.
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
III Содержание теоретического раздела дисциплины
(лекции 18 часов)
Введение. Области применения электрофизических и
плазменных установок. Импульсные и непрерывные источники
высокого напряжения (2 часа).
Электроразрядные технологии: элекроразрядное бурение,
буронабивные скважины, очистка питьевой воды, переработка минерального
сырья, дефрагментация бетона, получение нанопорошков. Плазменные
технологии: плазмохимия, химические технологии, осаждение
функциональных покрытий, поверхностная обработка очистка изделий,
объёмная имплантация, источники мягкорентгеновского излучения,
импульсные нейтронные источники. Радиационно-пучковые технологии:
импульсная плазмохимия, получение нанопорошков, радиационная физика,
радиационная химия, биология, решение экологических задач,
модифицирование металлических полупроводниковых материалов,
осаждение нанокомпозитных пленок. Обработка поверхности металлических
материалов. Источники высокого напряжения, импульсные высоковольтные
трансформаторы, генераторы Аркадьева-Маркса, формирующие линии с
распределенными параметрами, методы измерения импульсных напряжений
в высоковольтных установках. Примеры используемых высоковольтных
генераторов для электроразрядных и пучково-плазменных технологий.
Часть 2. Пробой в газах. Газоразрядные источники плазмы (2
часа).
Физика газового разряда, виды разрядов, вольтамперная
характеристика разряда, несамостоятельный пробой, самостоятельный
пробой, виды разрядов в зависимости от давления газа, применение разрядов,
разряды разных типов, типы разрядов в зависимости от частотного диапазона
электрического поля, тлеющий разряд, дуговой, искровой, коронный разряд,
разряд по поверхности диэлектрика.
Часть 3. Вакуумный пробой. Взрывная эмиссия электронов (2
часа).
Физика вакуумного пробоя, взрывная эмиссия электронов,
термоэмиссия, автоэлектронная эмиссия, формирование дуги, вольтамперная
характеристика, катодное пятно, эрозия анода и катода, применение дуговых
разрядов.
6
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Часть 4. Формирование электронного пучка в планарном диоде,
закон Чайльда-Ленгмюра (2 часа).
Ограничение тока пространственным зарядом электронов, решение
одномерной задачи формирования электронного пучка, закон ЧайльдаЛенгмюра для однополярного и двухполярного потоков, типы катодов.
Часть5. Импульсные ускорители электронов (2 часа).
Схема замещения ускорителя, виртуальный катод, вывод пучка из
диодного промежутка, прохождение электронов через фольги, вывод пучка
через «динамические» окна, низкоэнергетичные ускорители электронов с
плазменным и взрывоэмиссионным катодом, высокоэнергетичные
импульсные ускорители, ускоритель ТЕУ-500, ускорители с твердотельными
размыкателями тока, основные методы диагностики параметров пучка,
генерация тормозного рентгеновского излучения, основные проблемы
разработки частотных ускорителей электронов, биологическая защита
ускорителей.
Часть 6. Источники мощных ионных пучков (2 часа).
Основные проблемы формирования импульсных мощных ионных
пучков, типы плазменных источников используемых для формирования
ионных пучков, магнитоизолированные, отражательные системы
формирования ионных пучков, пинч-диодные системы, ускоритель ТЕМП,
транспортировка ионных пучков, методы диагностики ионных пучков,
коллимированный цилиндр Фарадея, спектрометр Томсона, основные
проблемы в создании частотных источников мощных ионных пучков,
основные области применения мощных импульсных ионных пучков.
Часть 7. Плазменные источники, плазматроны (2часа)
Физика плазменных источников, температура ионов и электронов,
требования к методам создания плазмы, вакуумные электродуговые
генераторы плазмы, генерация плазмы магнетронным разрядом,
использование плазмы тлеющего разряда, генерация плазмы с применением
ВЧ-разрядов, генераторы плазмы на основе разряда в полом катоде,
генерация плазмы в скрещенных электрическом и магнитном полях,
низкоэнергетический газоразрядный источник ионов холловского типа,
плазменный источник с накаливаемым катодом, применение плазменных
источников.
Типы плазматронов используемых в решении практических задач,
дуговые плазматроны, СВЧ плазматроны, ВЧ плазматроны, индукционные и
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
плазматроны Е-типа, мощности плазматронов, температура плазмы,
основные области применения плазматронов.
Часть 8. Ионные источники (2 часа).
Физика плазмы ионных источников, плотность, температура,
функция распределения, плазменная частота, влияние магнитного поля,
давление плазмы, ионизация. Извлечение ионов, законы масштабирования
напряжения для тока и яркости пучка, специальные извлекающие системы.
Транспортировка пучков, оптика пучков, фокусировка, транспортировка
пучков в собственных полях, нейтрализация объёмного заряда. Источники
отрицательных ионов.
IV Содержание практического раздела дисциплины
(практические занятия 16 часов)
1. Электронный ускоритель, измерение импеданса планарного диода
-4ч
2. Формирование высоковольтных импульсов в магнитоимпульсном
генераторе
-4ч
3. Источник мощных ионных пучков, измерение параметров ионного пучка
-4ч
4. Плазменные источники, плазмохимическое осаждение покрытий
- 4ч
V. Содержание курсовых работ.
1. Расчет биологической защиты импульсного ускорителя (средняя
мощность в электронном пучке 1 кВт, энергия электронов 0,5МВ).
2. Генератор Аркадьева – Маркса (0,5МВ, газонаполненный, зарядное
напряжение - 40кВ)
3. Расчет двойной формирующей линии (0,5МВ, 10нс, 40 Ом).
4. Индукционные электронные ускорители на основе твердотельных
прерывателей тока. Обзор.
5. Высоковольтный ускоритель
6. Коллимированный цилиндр Фарадея для измерения параметров
ионного пучка (500кэВ, 100А/см2).
7. Спектрометр Томсона для измерения энергетического спектра пучка
(300кэВ, 20А/см2).
8. Расчет распределения имплантированных ионов при воздействии
импульсного пучка ионов углерода (300кэВ, 20А/см2, 500импульсов,
длительность импульса 80нс).
9. Диоды с магнитной изоляцией, расчет величины магнитного поля
(ускоряющее напряжение 300кэВ).
8
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
10.Плазменный источник с накаливаемым катодом (5кВт, азотная плазма).
11. Холловские плазменные источники. Обзор
Для каждой практической работы разработаны специальные задания с
теоретическими вопросами и задачами. Задачи решаются во время занятий.
Объем заданий определяется временем, отведенным студенту учебным
планом. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и
получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы,
принятой в ТПУ.
Курсовые работы выполняются самостоятельно под руководством
куратора проекта, презентация проектов проводится на практических
занятиях.
V. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1. В.А. Грибков и др., под ред. Калина Б.А. Перспективные радиационнопучковые технологии обработки материалов.
2. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. Т.3
Линейные ускорители. М.: Энергоиздат, 1981, 1999с
3. Елинсон М.И., Васильев Г.Ф. Автоэлектронная эмиссия. М.: Физматгиз,
1958.
4. Кесаев И.Г. Катодные процессы электрической дуги. М.: Наука, 1968. –
244.
5. Физика и технология источников ионов. Сборник статей под ред. Я.
Брауна. Пер. с англ. М.: Мир, 1998, 496с.
6. Месяц Г.А., Проскуровский Д.И. Импульсный электрический разряд в
вакууме. Новосибирск: Наука, 1984, 256с.
7. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М.: Наука, 1989.
8. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное
поле. М.: Высшая школа,1986.
9. Говорков В.А., Купалян С.Д. Теория электромагнитного поля в
упражнениях и задачах. М.: Высшая школа, 1963.
10.Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. Пер. с англ. , под ред.
Дыхне А.М. м.* Мир, 1975.
11.Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. М.:
Атомиздат, 1979, 320с.
12.Месяц Г.А. Эктоны. Екатеринбург. Наука, 1993.
9
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
13.Бугаев С.П., Крейндель Ю.Е., Щанин П.М. Электронные пучки большого
сечения. М.: Энергоиздат, 1984.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
14.Диденко А.Н., Григорьев В.П. , Усов Ю.П. Мощные электронные пучки
и их применение. М.: Атомиздат, 1977.
15.Быстрицкий В.М., Диденко А.Н. Мощные ионные пучки. М.:
Энергоатомиздат, 1984, 152с.
16.Ремнев Г.Е. и др. Источники мощных ионных пучков для практического
применения. Известия высших учебных заведений. Физика, 1998г., с.92110.
17.Миллер Р. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц.
М.: Мир, 1984.
18.Месяц Г.А. Генерирование мощных наносекундных импульсов. М.:
Советское радио, 1974.
19.Вахрушин Ю.П., Анацкий А.И. Линейные индукционные ускорители.
М.: Атомиздат, 1978.
20.Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. Т.3
Линейные ускорители. М.: Энергоиздат, 1981, 199с.
10