Основы физики плазмы

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета: ЕНМФ
_____________Ю.И.Тюрин
«_____»___________2008 г.
Основы 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 четвертый
Семестр 7-8
Учебный план набора бакалавров 2004 года
Распределение учебного времени
7
8
всего
Лекции
28 час
12 час
Практические (лабораторные) занятия
10 час
6 час
16 час
Всего аудиторных занятий
38 час
18 час
56 час
Самостоятельная (внеаудиторная)
работа
30 час
50 час
80 час
Общая трудоемкость
68 час
68 час
136 час
Экзамен в семестрах
7
Курсовая работа
в семестрах
8
Зачет в семестрах
8
2007
40 час
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 20 декабря 2007 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
Документ:
Дата разработки
__________________________________________________________________
2
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
УДК 539.122.17+539.124.17+539.125.17
Ключевые слова: плазма, электрон, ион, излучение, взаимодействие, сечение,
пробег, неустойчивость, ионизация, рекомбинация, экранирование.
Аннотация
Основы 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
основополагающих
знаний
по
физике
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, методы
удержания плазмы, излучение плазмы, электрический разряд в газе.
Курс 4 (7 сем.  экзамен)
Всего 136 ч, в т. ч. Ауд. 56, Лк 40 ч, Пр 16 ч, См 80 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 Fundamentals 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 associated professor S.N.Yanin, The
Hydrogen Energy and Plasma Engineering Department of The Natural Science and
Mathematical Faculty.
E- mail: yanin@npi.tpu.ru
3
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
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 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.
специалист должен знать и уметь использовать:
 свойства и характеристики плазмы различных типов.
специалист должен уметь:
 рассчитывать характеристики плазмы по заданным параметрам
источника.
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих
формах деятельности:
 лекции, нацеленные на получение необходимой информации и ее
использовании при решении практических задач;
 лабораторные
работы,
предназначенные
для
получения
практических навыков работы с ионно-плазменными источниками;
 консультации;
4
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 самостоятельная
внеаудиторная
работа
направлена
на
приобретение навыков самостоятельного решения задач по
дисциплине и реализуется в виде выполнения курсовой 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, 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 40 часов)
Семестр 7 (28 час)
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 ее для
диагностики и нагрева плазмы.
Степень ионизации. Формула Саха. Термодинамическое равновесие.
Зависимость степени ионизации от параметров плазмы и потенциала
ионизации.
5
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Часть 3. (8 часов)
Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное
(кулоновское) сечение, его зависимость от энергии и заряда. Сила,
действующая 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. (2 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.
Семестр 8 (12 час)
Часть 5. (5 часов)
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.
6
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
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.
Часть 8. (3 часа)
Понятие о плазменных неустойчивостях.
Желобковая неустойчивость.
Неустойчивость типа змейки.
Пучковая неустойчивость. Двухпотоковая неустойчивость.
Часть 9. (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 10. (2 часа)
Управляемый термоядерный синтез. Проблемы энергетики. Радиационная
опасность.
Основы термоядерного синтеза. Энергия связи. Сечения реакций. Критерий
Лоусона.
Часть 11. (2 часа)
Инерциальное удержание. Термоядерная бомба. Лазерные системы.
Быстрый поджиг.
Сжатие рентгеновским излучением.
Часть 12. (2 часа)
Магнитное удержание. Замкнутые системы. Токамак. Стелларатор. МГД
неустойчивость.
Перспективы систем с магнитным удержанием.
Пинч. Тета-пинч.
Часть 13. (2 часа)
Открытые магнитные ловушки. Пробкотрон.
7
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Неустойчивости. Тандем. Термобарьер. Амбиполярная ловушка.
Газодинамическая ловушка.
Многопробочная ловушка.
Часть 14. (6 часов)
Низкотемпературная плазма и плазменный разряд. Понятие о
Таундсеновской теории пробоя.
Кривая Пашена.
Часть 15 (2часа)
Плазма в космосе
IV. Тематика лабораторных работ
Семестр 7 (10 час)
1.
2.
3.
4.
5.
Получение высокого вакуума и создание газовой среды для ионно плазменного напыления (2 часа).
Исследование характеристик магнетронного разряда (2 часа).
Изучение рабочих характеристик ионного источника с холловским
дрейфом электронов (2 часа).
Исследование вольт - амперных характеристик тлеющего разряда
(2 часа).
Исследование спектральных характеристик плазмы газового разряда
(2 часа).
Семестр 8 (6 час)
6.
7.
8.
Травление поверхности с помощью ионного источника с холловским
дрейфом электронов (2 часа).
Нанесение металлической пленки с помощью магнетронной
распылительной системы (2 часа).
Нанесение оксидной пленки с помощью дуальной магнетронной
распылительной системы (2 часа).
V. Самостоятельная (внеаудиторная) работа
7 семестр (30 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
8
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
 самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к
лабораторным занятиям (20 часов);
 подготовка к коллоквиуму (10 часов);
8 семестр (50 часов)
Содержание самостоятельной внеаудиторной работы студентов:
 самостоятельная проработка теоретического материала и подготовка к
лабораторным занятиям (10 часов);
 выполнение курсовой работы (40 часов);
Варианты заданий для курсовой работы
1. Разработка планарного магнетронного диода.
2. Конструирование цилиндрического магнетронного диода.
3. Разработка круглого магнетронного диода.
4. Конструирование ионного источника с холловским дрейфом электронов.
5. Разработка источника плазмы с накальным катодом.
6. Дуальная магнетронная распылительная система.
7. Физические принципы инерциального управляемого термоядерного
синтеза.
8. Конструктивные особенности токамаков.
9. Физические принципы удержания плазмы в токамаке.
10. Электродуговые источники плазмы.
Текущий и итоговый контроль
Текущий контроль изучения курса студентами осуществляется по
итогам выполнения тестов, индивидуальных заданий, сдаче коллоквиумов и
выполнении курсовой работы.
Итоговым контролем является семестровый экзамен.
Результаты текущего контроля оцениваются в баллах в соответствии с
прилагаемым рейтинг - листом.
Итоговым контролем являются: в седьмом семестре – экзамен, в
восьмом семестре – дифференцированный зачет (по результатам выполнения
курсовой работы).
9
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
Рейтинг – лист
по курсу «Фундаментальные вопросы физики плазмы»
для студентов IV курса ЕНМФ ТПУ
7 семестр
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов;
лекционный рейтинг
- 700 баллов (28 часов*25 балл/час);
рейтинг за коллоквиум – 100 баллов;
8 семестр
Общий максимальный рейтинг за семестр – 800 баллов;
лекционный рейтинг
- 300 баллов (12 часов*25 балл/час);
рейтинг за коллоквиум – 100 баллов;
рейтинг за выполнение курсовой работы – 400 баллов.
Зачет ставится при условии успешного выполнения курсовой работы.
VI 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.
10
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
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.
VII Вопросы и задачи к экзамену
7 семестр
ВОПРОСЫ
1. Основные понятия и определения. .Что такое плазма? Классическая и
вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма. Условия
идеальности.
2. Условия экранировки. Радиус Дебая. Число Дебая.
3. .Параметр неидеальности плазмы.
4. Степень неидеальности. Формула Саха. Константа равновесия.
5. Столкновения частиц в плазме. Кулоновский логарифм. Транспортное
сечение.
6. Кинетическое уравнение. Интеграл столкновений.
7. Кинетическое
уравнение
с
самосогласованным
полем.
Бесстолкновительное кинетическое уравнение (уравнение Власова).
8. Двухжидкостная магнитная гидродинамика. Уравнение непрерывности.
9. Дрейфовое приближение. Метод получения дрейфовых уравнений.
10.Градиентный дрейф. Центробежный дрейф.
11.Диэлектрическая проницаемость горячей плазмы.
12.Электромагнитные волны. Плазменная частота.
13.Дисперсионное соотношение для электромагнитной волны.
11
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1-21
14.Ленгмюровские волны. Дисперсионное соотношение.
15.Затухание Ландау.
16.Плазма газового разряда.
17.Кривая Пашена.
18.Магнитное удержание плазмы.
19.Термоядерные реакции.
20.Критерий Лоусона.
21.Токамак.
22.Пробкотрон.
23.Неустойчивости в плазме.
12