Фундаментальные вопросы физики плазмы

УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета: ЕНМФ
_____________ Ю.И.Тюрин
«_____»___________2006 г.
Фундаментальные вопросы физики плазмы
(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
Курс пятый
Семестр 9-10
Учебный план набора магистров 2006 года
Лекции
Распределение учебного времени
9
10
18 час.
36 час.
Практические (семинарские) занятия
всего
54 часа
18 час.
18 час.
36 часов
Всего аудиторных занятий
36 час.
54 час.
90 часов
Самостоятельная (внеаудиторная)
работа
Общая трудоемкость
40 час.
77 час.
117 час.
76 часов
131 час
207 часов
Экзамен в семестрах
9, 10
Зачет в семестре
9, 10
2005
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 9 ноября 2006 г.
протокол № 7 .
2. Разработчик
доцент кафедры ВЭПТ
______________ С.Н. Янин
3. Зав. обеспечивающей кафедрой ВЭПТ
______________ В.П. Кривобоков
4. Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с факультетом, выпускающей
кафедрой специальности; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. выпускающей кафедрой ВЭПТ
______________ В.П. Кривобоков
УДК 539.122.17+539.124.17+539.125.17
Ключевые слова: плазма, электрон, ион, , излучение, взаимодействие,
сечение, пробег, неустойчивость, ионизация, рекомбинация, экранирование.
Аннотация
Фундаментальные вопросы физики плазмы (ФВФП)
010700 (б)
Каф. ВЭПТ ЕНМФ
Доцент, к.ф.-м.н. Янин Сергей Николаевич
Тел.(3822)-417954; e- mail: yanin@npi.tpu.ru
Цель: формирование знаний и умений для решения задач, связанных с
применением 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, волны в плазме,
методы удержания плазмы, излучение плазмы, термоядерные реакции,
условие Лоусона, электрический разряд в плазме, плазменные технологии.
Курс 5 (9,10 сем.  экзамен)
Всего 207 ч, в т. ч. Ауд. 90, Лк 54 ч, Пр 36 ч, См 117 ч.
Разработчик программы - доцент кафедры ВЭПТ ЕНМФ доцент Янин
Сергей Николаевич.
Тел.: (3822)-41-79-54
E-mail: yanin@npi.tpu.ru
The summary of the program on discipline "The Fundamental Questions of
the Plasma Physics".
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 docent S.N.Yanin, The Hydrogen Energy
and Plasma Engineering Department of The Natural Science and Mathematical
Faculty.
E- mail: yanin@npi.tpu.ru
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 и о взаимодействии
плазмы с поверхностью твердого тела 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 и ее взаимодействии
с веществом.
специалист должен знать и уметь использовать:
 свойства и характеристики плазмы различных типов.
специалист должен уметь:
 рассчитывать характеристики плазмы по заданным параметрам
источника;
 применять пакеты прикладных программ для расчета параметров
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;
 консультации;
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде специальных практических
заданий по всем разделам дисциплины;
 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;
 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 54 часа ауд.)
Часть 1. (4 часа)
Понятие плазмы. Энергетическая единица измерения температуры-эВ.
Квазинейтральность.
Дебаевская экранировка. Радиус Дебая. Потенциал пробной частицы в
плазме.
Сравнение с кулоновским потенциалом.
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 для диагностики и
нагрева плазмы.
Степень ионизации. Формула Саха. Термодинамическое равновесие.
Зависимость степени ионизации от параметров плазмы, от потенциала
ионизации.
Часть 3. (6 часов)
Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное
(кулоновское) сечение,
зависимость от энергии и заряда. Сила 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. (3 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. (3 часа)
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. (4 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.
Понятие о плазменных неустойчивостях.
Часть 8. (4 часа)
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.
Часть 10. (2 часа)
Инерциальное удержание. Термоядерная бомба. Лазерные системы.
Быстрый поджиг.
Сжатие рентгеновским излучением.
Часть 11. (2 часа)
Магнитное удержание. Замкнутые системы. Токамак. Стелларатор. МГД
неустойчивость.
Перспективы систем с магнитным удержанием.
Пинч. Тета-пинч.
Часть 12. (2 часа)
Открытые магнитные ловушки. Пробкотрон.
Неустойчивости. Тандем. Термобарьер. Амбиполярная ловушка.
Газодинамическая ловушка.
Многопробочная ловушка.
Часть 13. (6 часов)
Низкотемпературная плазма и плазменный разряд. Понятие о
Таундсеновской теории пробоя.
Кривая Пашена.
Часть 14. (6 часов)
Плазменные технологии. Принцип работы ионно- плазменных источников.
Технология нанесения пленочных покрытий.
Часть 15 (2часа)
Плазма в космосе
IV. Тематика практических занятий (36 часов)
Семестр № 9 (18 часов)
1. Понятие плазмы. Энергетическая единица измерения температуры – эВ.
Квазинейтральность. Дебаевская экранировка. Радиус Дебая. Потенциал
пробной частицы в плазме. Сравнение с кулоновским потенциалом. ( 2 часа).
2. Плазменные колебания. Характерный временной масштаб разделения
зарядов. Плазменная частота (2 часа).
3. Элементарные процессы в плазме. Ионизация и рекомбинация, основные
процессы. Корональное равновесие. Перезарядка, применение для
диагностики и нагрева плазмы ( 2 часа).
4. Классическая и вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма.
Число частиц в дебаевской сфере. Влияние этого параметра на свойства
плазмы (2 часа).
5. Степень ионизации. Формула Саха. Термодинамическое равновесие.
Зависимость степени ионизации от параметров плазмы, от потенциала
ионизации. ( 2 часа).
6. Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм для плазмы и газа.
Траектория частиц в плазме и газе ( 2 часа).
7. 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 (2 часа).
8. 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 (2 часа).
9. Коллоквиум. ( 2часа).
Семестр 10 (18 часов)
10. 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 (2 часа).
11. Движение частиц в магнитных полях. Циклотронный резонанс.
Дрейфовое движение. Электрический, центробежный и градиентный дрейф,
адиабатические инварианты (2 часа).
12. Дрейфовое движение в тороиде. Движение заряженной частицы в
открытой ловушке (2 часа).
13. Управляемый термоядерный синтез. Проблемы энергетики. Радиационная
опасность. Основы термоядерного синтеза. Энергия связи. Сечения реакций.
Критерий Лоусона (2 часа).
14. Инерциальное удержание. Лазерные системы. Быстрый поджиг. Сжатие
рентгеновским излучением. (2 часа).
15. Магнитное удержание. Замкнутые системы. Токамак. Стелларатор. МГД
нейстойчивость. Перспективы систем с магнитным удержанием. Пинч. Тетапинч. (2 часа).
16. Открытые магнитные ловушки. Пробкотрон. Неустойчивости. Тандем.
Термобарьер. Амбиполярная ловушка. Газодинамическая ловушка.
Многопробочная ловушка. (2 часа).
17. Низкотемпературная плазма и плазменный разряд. Понятие о
Таундсеновской теории пробоя. Кривая пашена (2 часа).
18. Коллоквиум (2 часа).
V. Самостоятельная (внеаудиторная) работа
9 семестр (40 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
● самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к
практическим занятиям;
● выполнение индивидуальных заданий;
● подготовка к коллоквиуму;
● работа над рефератом и подготовка доклада по нему.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Примерные темы рефератов
Квазинейтральность плазмы, плоский зонд в плазме.
Формула Саха. Равновесные концентрации ионов примесей.
Быстрые заряженные частицы в плазме – времена замедления,
рассеяния и торможения.
Убегающие электроны, поле Драйсера.
Ионизация и перезарядка атомов в плазме.
Гиромагнитный нагрев плазмы.
Классический пробкотрон: движение захваченных частиц, конус
потерь, амбиполярный потенциал, адиабатические инварианты.
10 семестр (77 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
● самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к
практическим занятиям;
● выполнение индивидуальных заданий;
● подготовка к коллоквиуму;
● работа над рефератом и подготовка доклада по нему.
Примерные темы рефератов
1. Время удержания плазмы в классическом пробкотроне и в
газодинамической ловушке.
2. Движение заряженной частицы в поле прямого тока.
3. Траектории частиц в токамаке.
4. Моменты кинетического уравнения. Уравнение теплопереноса.
5. Кинетика простой плазмы (качественное рассмотрение).
6. Проводимость лоренцевской плазмы.
7. Излучение из плазмы.
VI. Текущий и итоговый контроль
Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по
итогам выполнения тестов, индивидуальных заданий, сдачи коллоквиума и
подготовки реферата.
Итоговым контролем является семестровый экзамен.
Результаты текущего контроля оцениваются в баллах в соответствии с
прилагаемым рейтинг-планом.
Рейтинг-план
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов.
Лекционный рейтинг – 405 баллов (27 часов*15 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.
Рейтинг за реферат – 100 баллов.
К экзамену допускаются студенты, набравшие не менее 500 баллов.
VII. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Кролл, А., Трайвелпис Основы физики плазмы. - М.: Мир, 1975.
2. Л.Д. Ландау, Е. М.Лифшиц Электродинамика сплошных сред. - М.:
Наука, 1992.
3. Е.М. Лифшиц, Л.П.Питаевский Физическая кинетика. - М.: Наука, 1979.
4. Б.А.Трубников Теория плазмы. - М.: Энергоатомиздат, 1996.
5. Б.Б.Кадомцев Коллективные явления в плазме. - М.: Наука, 1976.
6. Л.А.Арцимович, Р.З.Сагдеев Физика плазмы для физиков. - М.:
Атомиздат, 1979.
7. Ф.Чен Введение в физику плазмы. - М.: Мир, 1987.
8. Д.А.Франк-Каменецкий Лекции по физике плазмы. - М.: Атомиздат,
1964.
Дополнительная литература:
9. А.Ф.Александров, Л.С.Богданкевич, А.А.Рухадзе Основы
электродинамики плазмы. - М.: Высшая школа, 1988.
10.С.И.Брагинский Явления переноса в плазме. – В сб. «Вопросы теории
плазмы» (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Атомиздат, 1963, вып.1, с.183272.
11.В.Д.Шафранов Равновесие плазмы в магнитном поле. – В сб. «Вопросы
теории плазмы»' (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Госатомиздат, 1963,
вып.2, с.92-131.
12.Б.Б.Кадомцев Гидромагнитная устойчивость плазмы. – В сб. «Вопросы
теории плазмы» (Под ред. М. А. Леонтовича). - М., Атомиздат, 1963,
вып.2, с.132-176.
13.В.Д.Шафранов Электромагнитные волны в плазме. – В сб. «Вопросы
теории плазмы» (Под ред. М. А. Леонтовича). - М., Госатомиздат, 1963,
вып. 3, с.3-140.
14.Б.Б.Кадомцев Турбулентность плазмы. – В сб. «Вопросы теории
плазмы» (Под ред. М.А.Леонтовича). - М., Атомиздат, 1964, вып. 4, с.188339.
15.А.Б.Михайловский Теория плазменных неустойчивостей. т. 1. - М.:
Атомиздат, 1975.
16.Д.Роуз, М.Кларк Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции.
- М.: Госатомиздат, 1963.
17.М.Митчелл, Ч.Кругер Частично ионизованные газы. - М.: Мир, 1976.
18.К.Лонгмайр Физика плазмы. - М.: Атомиздат, 1966.
19.Основы физики плазмы. - М.: Атомиздат, 1983, т.1.
20.Г.Бейтман МГД-неустойчивости. - М.: Энергоиздат, 1982.
21.С.Ю.Лукьянов, Н.Г.Ковальский Горячая плазма и управляемый
термоядерный синтез. - М., 1997.