Общая трудоёмкость 180 час

СТП ТПУ 2.4.01-02
Рабочая программа учебной дисциплины
Воздействие плазмы и пучков заряженных частиц на вещество
Ф ТПУ 7.1-21/01
“УТВЕРЖДАЮ”
Декан ЕНМФ
____________Ю. И. Тюрин
“___”____________ 2006 г.
ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЛАЗМЫ И ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ
ЧАСТИЦ НА ВЕЩЕСТВО
Рабочая программа для направления 010700 «Физика»,
магистерская программа 010705 «Физика плазмы»
Факультет естественных наук и математики (ЕНМФ)
Обеспечивающая кафедра: водородной энергетики и плазменных технологий
(ВЭПТ))
Курс V
Семестр X
Учебный план набора магистров 2006 года
Распределение учебного времени
Лекции
54 час
Практические занятия
18 час
Лабораторные занятия
0 час
Всего аудиторных занятий
72 чаc
Самостоятельная (внеаудиторная) работа
108 час
Общая трудоёмкость
180 час
Форма отчетности
экзамен
2006
Документ: 681464560
стр. 1
Дата создания Дата создания 14.07.2008 19:41:00
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
Предисловие
1. Рабочая программа составлена на основе ГОС ВПО для направления 010700 Физика, утвержденного 17.03.2000г., рег.№ 176 ен/бак
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании кафедры водородной энергетики и плазменных технологий _____________ (дата) протокол № ___.
2. Разработчик: доцент каф. ВЭПТ ________________________ Г.А. Блейхер
3. Зав. кафедрой ВЭПТ, профессор _______________ В.П. Кривобоков
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом естественных наук и математики и
СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. кафедрой ВЭПТ, профессор ______________В.П. Кривобоков
_________________________________________________________________________
УДК 537.53:621.384
Документ: СДМ.Р.01 Воздействие плазмы и пучков
стр.
2
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
Аннотация
СДМ.Р.01. Воздействие плазмы и пучков заряженных частиц на вещество
010700(б) - 010705 (м)
Каф. ВЭПТ ЕНМФ
Доц., к.ф.-м.н. Блейхер Г.А.
Тел./факс: (3822)-417954
Цель: сформировать знания о закономерностях воздействия плазмы и пучков заряженных частиц на вещество, научить формулировать физические задачи и делать их математическую постановку, подготовить к самостоятельному изучению оригинальных работ в этой области.
Содержание: основы теории радиационных процессов в веществе; пространственное распределение выделенной энергии ускоренных заряженных частиц; вторичные излучения; термализация и
заряжение при облучении вещества потоками заряженных частиц; диссипация энергии пучков заряженных частиц в веществе; эрозия поверхности под действием потоков заряженных частиц; радиационные дефекты в твердом теле; массоперенос; особенности воздействия плазмы на вещество.
Курс 5 (10 сем – экзамен).
Всего 180 ч, в т. ч.: СР 108 ч, 72 ч. ауд.: Лк 54 ч, Лб 0 ч, Пр 18 ч
The Summery
СДМ.Р.01. Plasma and charged particles beams effect on the substance
010700(б) - 010705 (м)
Hydrogen Energy and Plasma Technologies Department
Faculty of Natural Sciences and Mathematics
Associate Professor G. Bleicher
The purpose: to form knowledge about regularities of plasma and charged particles beams effect on
the substance; to teach to formulate the physical problems and their mathematical description; to make
ready for self-instruction of original works in this field.
The contents: the theory basis of radiation processes in the substance; spatial distribution of energy
released by accelerated charged particles in the substance; secondary radiation; thermalization and dielectric
charging under irradiation by charged particles flows; charged particles beam energy dissipation in the substance; surface erosion under the action of charged particles flows; radiation damages in solids; mass transfer; particularities of plasma effect on the surface.
Документ:
Дата создания
стр. 3
3
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
Цели и задачи учебной дисциплины
Цели преподавания дисциплины
Целью преподавания дисциплины является подготовка специалистов, обладающих современными теоретическими представлениями о воздействии пучков заряженных частиц и потоков
плазмы на вещество, освоивших экспериментальные и расчетные методы исследований в этой области, научившихся работать с научной литературой с применением современных информационных
технологий, умеющих готовить научные доклады и статьи, способных к дальнейшему освоению
принципов разнообразного технологического применения плазмы и пучков заряженных частиц в
различных отраслях промышленности.
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих






формах деятельности:
лекции нацелены на освоение современных теоретических представлений в области воздействия пучков заряженных частиц и плазмы на вещество;
практические занятия направлены на активизацию познавательной деятельности студентов и освоение экспериментальных и расчетных методов исследований в области преподаваемой дисциплины;
выполнение индивидуальных заданий предусматривает развитие навыков решения
конкретных практических и проблемных задач;
подготовка рефератов предоставляет возможность научиться работать с оригинальной
научной литературой, систематизировать и анализировать получаемые знания, формулировать физическую сущность поставленной задачи и способы ее решения;
консультации;
прочая самостоятельная внеаудиторная работа направлена на закрепление получаемых теоретических знаний, приобретение навыков самостоятельного освоения нового материала и решения конкретных задач.
Содержание теоретической части дисциплины – X семестр (54 часа)
1.
Классификация способов обработки материалов потоками заряженных частиц. Общие
черты и особенности воздействия на вещество различных видов потоков заряженных частиц. Структура, цели и задачи настоящего курса (2 часа).
Обзор наиболее значимых процессов, происходящих в твердом теле при его бомбардировке заряженными частицами (2 часа).
Процессы, происходящие при торможении ускоренных ионов в веществе.
2.
Документ: СДМ.Р.01 Воздействие плазмы и пучков
стр.
4
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
Процессы, происходящие при прохождении ускоренных электронов через вещество.
3.
Основы теории переноса излучения в веществе. (4 часа)
Сечения взаимодействия.
Тормозная способность вещества.
Полный пробег ускоренной частицы в веществе.
Основные понятия и определения в теории переноса излучения в веществе (фазовое пространство, дифференциальная плотность потока частиц, интеграл столкновений, энергетический спектр
излучения, интенсивность излучения и др.).
Кинетическое уравнение, его физический смысл и структура.
Физические приближения, используемые для упрощения кинетического уравнения.
4.
Выделение энергии ускоренных электронов в веществе (4 часа)
Торможение ускоренных электронов в веществе. Уравнение Бете. Формула Бете-Блоха. Траекторный пробег электрона.
Угловое рассеяние электронов (первое приближение Борна; однократное рассеяние; многократное рассеяние; влияние углового рассеяния на глубину проникновения электронов в вещество).
Закономерности поглощения электронов веществом, коэффициенты пропускания и поглощения,
глубина проникновения электронов, разные виды пробегов, обратное рассеяние электронов.
Нахождение пространственного распределения удельных потерь энергии и пробегов.
5.
Потери энергии и пробеги ускоренных ионов в веществе (4 часа).
Потери энергии при упругих столкновениях (потенциалы взаимодействия; потенциалы и сечения, используемые в аналитических расчетах; ядерная тормозная способность; особенности ядерного торможения).
Потери энергии в неупругих взаимодействиях (электронная тормозная способность; электронное
торможение в широком диапазоне энергий ионов, особенности электронного торможения).
Об обобщенной теории Линдхарда торможения атомных частиц. Соотношение ядерных и электронных потерь.
Пространственное распределение линейных потерь энергии на основе модели ЛиндхардаШарфа-Шиотта. Потери энергии на ядерное и электронное торможение. Полные потери энергии.
Расчет проективного пробега и страгглинга бомбардирующих ионов.
6.
Вторичные излучения (4 часа).
Тормозное излучение при прохождении ускоренных заряженных частиц в веществе.
Потери энергии на тормозное излучение и ионизацию при прохождении ускоренных электронов
через вещество.
Взаимодействие вторичных фотонов с веществом.
Другие виды вторичного излучения при прохождении заряженных частиц через вещество.
7.
Термализация частиц и радиационное заряжение диэлектриков. (2 часа).
Определение термализации ускоренных заряженных частиц в веществе.
Документ:
Дата создания
стр. 5
5
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
Природа появления объемного заряда при облучении материалов пучками заряженных частиц.
Особенности электронного и ионного облучений. Влияние радиационного заряжения на пробег
ускоренных частиц и функцию пространственного энерговыделения.
Подходы к исследованию радиационного заряжения диэлектриков.
Тепловые и термомеханические процессы в твердом теле, стимулированные воздействием
пучков заряженных частиц и потоков плазмы (6 часов).
Понятие диссипации энергии пучков заряженных частиц и потоков плазмы в веществе. Каналы
диссипации энергии излучения в веществе. О механизме нагрева вещества. Классификация потоков
заряженных частиц для математического описания стимулированных ими тепловых процессов.
Функция энерговыделения.
Тепловые процессы в веществе при облучении потоками заряженных частиц и плазмы.
8.3. Термомеханические напряжения. Упругие, упругопластические и ударные волны. Расчет
статических напряжений.
8.
Эрозия поверхности под действием пучков заряженных частиц и потоков плазмы (8 часов).
Распыление: основные определения, механизмы, основные принципы современной теории распыления, наиболее значимые факторы для коэффициента распыления; особенности распыления
кристаллов; изменение топографии поверхности в результате распыления; об электронном распылении. (4 часа)
Испарение. Различные механизмы испарения. Математическое описание кинетики испарения.
Соотношение распылительной и испарительной компонент эрозии в различных режимах облучения
поверхности пучками заряженных частиц. (2 часа)
Другие виды эрозии. (1 час)
Десорбция. (1 час)
9.
10.
Радиационные дефекты в твердом теле (8 часов).
Общие представления о радиационных повреждениях.
Основные типы структурных дефектов.
Стадии радиационной повреждаемости.
Этап генерации дефектов (смещения атомов и первично-выбитые атомы; образование каскадов
смещений; каскадная функция; распределение генерации смещенных атомов по глубине).
Вторичные процессы при образовании дефектов (диффузионная стадия и стадия эволюции стоков).
Примеры образования дефектных структур при ионном облучении. Аморфизация.
Отжиг дефектов.
Влияние дефектной структуры на макроскопические свойства материалов.
Документ: СДМ.Р.01 Воздействие плазмы и пучков
стр.
6
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
Особенности дефектообразования под действием других видов излучения.
Перенос атомов в конденсированной фазе при воздействии пучков заряженных частиц и
потоков плазмы (4 часа).
Диффузия, коэффициенты диффузии, законы диффузии.
Радиационно-стимулированная диффузия.
Баллистическое ионное перемешивание.
Механизмы усиления массопереноса при мощном импульсном воздействии.
11.
12.
Особенности воздействия плазмы на вещество (6 часов).
12.1. Процессы, происходящие в области соприкосновения плазмы с поверхностью.
12.2. Моделирование энергетического потока на границе раздела плазма – твердое тело.
12.3. Изменение поверхности твердого тела при взаимодействии с плазмой.
12.4. Механизмы осаждения атомов из плазмы на поверхность твердого тела.
Тематика практических занятий (18 часов)
1. Основы теории радиационных процессов в материалах и переноса излучения в веществе (потенциалы упругого взаимодействия, сечения взаимодействия, кинетическое уравнение переноса) (2 часа).
2. Прохождение ускоренных электронов в веществе. Построение функции пространственного
распределения удельных потерь энергии и нахождение пробегов (2 часа).
3. Торможение ускоренных ионов в веществе. Функция пространственного распределения линейных потерь энергии и пробеги (2 часа).
4. Коллоквиум (2 часа).
5. Тепловые и термомеханические процессы в материалах при облучении пучками заряженных
частиц и потоками плазмы (2 часа).
6. Эрозия поверхности при облучении пучками заряженных частиц и потоками плазмы (2 часа).
7. Радиационные дефекты в твердом теле при облучении пучками заряженных частиц (2 часа).
8. Массоперенос в твердотельных композициях, стимулированный воздействием пучков заряженных частиц (2 часа).
9. Семинарское занятие, посвященное обзору проблемы воздействия плазмы и пучков заряженных частиц на вещество (выступления студентов с докладами по темам подготовленных рефератов) (2 часа).
Самостоятельная (внеаудиторная) работа –X семестр (108 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
 самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к практическим занятиям
(30 часов);
Документ:
Дата создания
стр. 7
7
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
 выполнение трех индивидуальных заданий (18 часов);
 подготовка к коллоквиуму (8 часов);
 работа над рефератом и подготовка доклада по нему (52 часа).
Примерные темы рефератов
1. Особенности взаимодействия высокоэнергетических ионов и электронов с веществом. Ядерные реакции с участием заряженных частиц.
2. Методы расчета коэффициента ионного распыления.
3. Потери энергии ускоренных электронов в многокомпонентных и многослойных композициях.
4. Моделирование диссипации энергии высокоинтенсивных импульсных пучков заряженных
частиц в твердом теле.
5. Влияние различных факторов на коэффициент распыления при воздействии ионных пучков.
6. Особенности взаимодействия заряженных частиц с кристаллами.
7. Вспучивание и шелушение поверхности при воздействии потоков ионов.
8. Ионно-электронная эмиссия.
9. Особенности массопереноса в твердом теле при мощном импульсном облучении пучками заряженных частиц.
10. Способы экспериментального нахождения коэффициента ионного распыления.
11. Накопление заряда в диэлектриках при импульсном облучении пучками заряженных частиц.
12. Физические механизмы изменения макроскопических свойств материалов в результате облучения.
Текущий и итоговый контроль
Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по итогам выполнения тестов,
индивидуальных заданий, сдаче коллоквиума и подготовке реферата.
Итоговым контролем является семестровый экзамен.
Результаты текущего контроля оцениваются в баллах в соответствии с прилагаемым рейтинглистом.
Рейтинг – лист
по курсу «Воздействие плазмы и пучков заряженных частиц на вещество»
для студентов V курса ЕНМФ ТПУ
X семестр
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов;
лекционный рейтинг
- 405 баллов (54 часа*7,5 балл/час);
рейтинг за выполнение индивидуальных заданий –120 баллов (3 задания * 40 баллов/задание);
рейтинг за выполнение тестов – 125 баллов (5 тестов * 25 баллов/тест);
рейтинг за коллоквиум – 50 баллов;
Документ: СДМ.Р.01 Воздействие плазмы и пучков
стр.
8
Рабочая программа учебной
Ф ТПУ 7.1- 21/01
дисциплины
рейтинг за реферат – 100 баллов.
К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 500 баллов.
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература
1. Аброян И.А., Андронов А.Н., Титов А.И. Физические основы электронной и ионной технологии - М.: Высшая школа, 1984, 320 с.
2. В.И. Беспалов. Основы взаимодействия излучения с веществом /Учебное пособие – Томск:
изд. ТПУ, 2003, 269 с.
3. Немец О.Ф., Гофман Ю.В. Справочник по ядерной физике. – Киев: Наукова думка, 1975,
416 с.
4. Кумахов М.А., Комаров Ф.Ф. Энергетические потери и пробеги ионов в твердых телах.
5. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. – Минск: Издательство БГУ,
1980, 350 с.
6. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой: физическое распыление одноэлементных
твердых тел / Под ред. Бериша Р. – М.: Мир, 1984, 336 с.
7. Трушин Ю.В. Радиационные процессы в многокомпонентных материалах. Теория и компьютерное моделирование. – СПб: Физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе, 2002, 384 с.
8. Низкотемпературная плазма / гл. редактор серии М.Ф. Жуков / т.11. Математическое моделирование катодных процессов – Новосибирск: Наука, 1993, 194 с.
Дополнительная литература
9. Анисимов С.И., Имас Я.А., Романов Г.С., Ходыко Ю.В. Действие излучения большой мощности на металлы. - М.: Наука, 1970. - 272 с.
10. Блейхер Г.А., Кривобоков В.П., Пащенко О.В. Тепломассоперенос в твердом теле под действием мощных пучков заряженных частиц. - Новосибирск: Наука, 1999. - 176 с.
11. Распыление под действием бомбардировки частицами / Под редакцией Р. Бериша, К. Виттмака – М.: Мир, 1998, 551 с.
12. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел / Под редакцией Е.С.
Машковой – М.: Мир, 1989, 349 с.
13. Машкова Е.С., Молчанов В.А. Рассеяние ионов средних энергий поверхностями твердых тел
– М.: Атомиздат, 1980, 256 с.
14. Каминский М. Атомные и ионные столкновения на поверхности металла. – М.: Мир, 1967,
506 с.
15. Взаимодействие заряженных частиц с твердым телом / Под ред. А. Грас-Марти и др. – М.:
Высшая школа, 1994, 752 с.
16. Фальконе Д. Теория распыления – УФН, 1992, т. 162, с. 71-117.
Документ:
Дата создания
стр. 9
9
Ф ТПУ 7.1- 21/01
Рабочая программа учебной
дисциплины
17. В.В. Плетнев. Современное состояние теории физического распыления неупорядоченных материалов /В кн. Итоги науки и техники. Серия: Пучки заряженных частиц и твердое тело/ Под
ред. Ю.В. Мартыненко - т. 5. Распыление. – 1991, с. 4-62.
Документ: СДМ.Р.01 Воздействие плазмы и пучков
стр.
10