м.н. Чиннов В.Ф.

1
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ
(ФАНО РОССИИ)
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный
институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН)
Принято на Ученом совете
ОИВТ РАН
Протокол №2 от 29.06.2015
«Утверждаю»
Директор ОИВТ РАН
______________ академик Фортов В.Е.
«______»______________2015 год
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
дисциплины
«Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной
плазмы»
направление подготовки: «Физика и астрономия» код 03.06.01
(направленность – Физика плазмы)
Квалификация
Исследователь, преподаватель-исследователь
Москва
2015
2
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч.:
Лекции
3 зач. ед.
32 часа
Практические занятия
нет
Лабораторные работы
6 часов
Индивидуальные занятия с преподавателем
Самостоятельные занятия
нет
46 часов
Итоговая аттестация
курсовая работа 2 курс – 8 часов,
экзамен 3 курс – 16 часов
ВСЕГО
3 зач. ед., 108 часов
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Цель дисциплины – Целью освоения дисциплины «Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы» является получение аспирантами систематизированных представлений о природе излучения низкотемпературной плазмы, формируемых на основе знаний энергетических спектров атомов и молекул.
Задачами данного курса являются:




познакомить обучающихся с основами теории атомных и молекулярных спектров;
выработать практические навыки спектрального определения основных параметров
низкотемпературной плазмы;
дать информацию о современных методах и системах автоматизированного сбора и обработки спектроскопических данных;
освоить основы физики лазеров и познакомиться с их важнейшими научнотехническими применениями;
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП АСПИРАНТУРЫ
Дисциплина «Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной
плазмы» относится к вариативной части цикла Б.1.В.ОД.5 кода УЦ ООП и принадлежит к типу
«b» по характеру освоения, т.е. должна быть освоена аспирантом обязательно, но не обязательно в период обучения, отмеченный в базовом учебном плане.
3
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ
ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Освоение дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме»
направлено на формирование следующих универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций:
а) универсальные (УК):
 способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений,
генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том
числе в междисциплинарных областях (УК-1)
 готовность участвовать в работе российских и международных исследовательских
коллективов по решению научных и научно-образовательных задач (УК-3).
 способность планировать и решать задачи собственного профессионального и
личностного развития (УК-5).
б) общепрофессиональные (ОПК)
 способность самостоятельно осуществлять научно-исследовательскую деятельность в соответствующей профессиональной области с использованием современных методов исследования и информационно-коммуникационных технологий (ОПК-1)
в) профессиональные (ПК)
 способность к самостоятельному проведению научно-исследовательской работы и получению научных результатов, удовлетворяющих установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности «Физика плазмы» (ПК-2)
4. КОНКРЕТНЫЕ ЗНАНИЯ, УМЕНИЯ И НАВЫКИ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
В результате освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной
плазме» обучающийся должен:
1. Знать:
 основные источники научно-технической информации (монографии, справочники, журналы, сайты Интернет) по спектроскопии низкотемпературной плазмы;
 основы теории атомных и молекулярных спектров;
 основные методы количественной спектроскопии плазмы;
 основы физики лазеров и познакомиться с их важнейшими научно-техническими применениями.
2. Уметь:
 выполнять оценки излучательных свойств плазмы с заданными параметрами и геометрией;
 практически применить методы количественной спектроскопии в исследованиях плазмы;
 использовать автоматизированные программы обработки результатов спектральных измерений;
 осуществлять литературный поиск, анализировать научно-техническую информацию и
уметь выбирать оптимальные решения задач по спектроскопии;
 использовать информацию о достижениях в области спектральной диагностики в практической работе;
3.
Владеть:
 навыками дискуссии по вопросам спектральной диагностики;
4




терминологией в области оптики и спектроскопии плазмы;
навыками поиска информации о спектральных свойствах атомов и молекул;
информацией о технических параметрах современного спектрального оборудования;
навыками применения полученной информации при проектировании и изготовлении систем спектральной диагностики;
5. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Структура дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
Количество
часов
1. Энергетические спектры атомов и молекул.
22
2. Излучательные свойства низкотемпературной плазмы.
14
3. Атомная и молекулярная спектроскопия низкотемпературной плазмы.
28
4. Принципы работы лазеров
14
ВСЕГО (часов)
84
Вид занятий
Лекции:
№
п.п.
Темы
Трудоёмкость
в зач. ед.
(количество
часов)
1
Энергетические спектры атомов
6
2
Энергетические спектры молекул
3
3
Состав и характеристики излучения низкотемпературной плазмы
6
4
Основы количественной спектроскопии плазмы
6
5
Методы спектральной диагностики равновесной и неравновесной
плазмы
6
6
Краткие основы физики лазеров
5
ВСЕГО (часов)
32 часа
5
Лабораторные занятия:
№
п.п.
Темы
Трудоёмкость
в зач. ед.
(количество
часов)
1
Определение температуры электронов свободной дуги из анализа
относительного распределения возбужденных ионов аргона в зависимости от энергии возбуждения.
3
2
Определение концентрации электронов плазмы свободной дуги по
штарковской ширине линий ArI и ArII.
3
ВСЕГО (часов)
6 часов
Самостоятельная работа:
№ п.п.
Темы
Трудоёмкость
(количество часов)
1
- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из
лекций, результаты контролируются преподавателем на
лекционных занятиях, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной
программой, методические пособия.
46 часов
3
-подготовка к зачету и экзамену
24 часа
ВСЕГО (часов)
70 часов
6
Содержание дисциплины
№ Название
п/п модулей
1
I
Энергетические
спектры
атомов и
молекул
4
5
Энергетические
спектры
атомов
Энергетические
спектры
молекул
2
3
Разделы и
темы лекционных
занятий
II
Излучательные
свойства
низкотемпературной плазмы
Состав
и
характеристики излучения
низкотемпературной
плазмы
III
Атомная и
молекулярная
спектроскопия
низкотемпературной плазмы
Основы количественной спектроскопии
плазмы
Содержание
Энергетические спектры атомов.
Состояния и квантовые числа связанных электронов в атоме. Электронные
конфигурации и термы основных состояний атомов.
Уровни энергии и спектры атомных
частиц. Спектры простых и сложных
атомов. Правила отбора для изменения
состояний излучающего атома.
Энергетические спектры молекул.
Потенциалы взаимодействия атомных
частиц. Квантовые числа двухатомной
молекулы. Электронные конфигурации
двухатомных молекул. Потенциальные
кривые двухатомных молекул и ионов.
Электронно-колебательновращательные спектры молекул и молекулярных ионов.
Типы радиационных переходов. Непрерывное излучение плазмы. Излучение спектральных линий: интенсивности, контур и ширина. Характерные
спектры излучения атомарной и молекулярной плазмы. Перенос излучения в
плазме. Оптическая толщина. Реабсорбция излучения. Уравнение переноса излучения Бибермана-Холстейна и его
решения.
Основы фотометрии и измерение
спектральных интенсивностей. Спектральная аппаратура и приемники излучения. Эталоны длин волн и спектральной плотности излучения. Современный
спектроскопический эксперимент.
Методы
Абсолютные интенсивности спекспектраль- тральных линий, континуума, молекуной
диа- лярных полос.
Объем
АудиСамоторная
стояработа тельная
(зачет- работа
ные
(зачетедининые
цы/часы) единицы/час
ы
6
7
3
6
6
8
6
8
6
8
7
6
гностики
Контуры спектральных линий (СЛ).
равновесСамообращение контуров СЛ. Методы
ной
и спектрального определения параметров
неравноатомарной и молекулярной плазмы.
весной
Особенности спектральной диагностики
плазмы
неравновесной и нестационарной плазмы. Нелинейные оптические эффекты.
Диэлектрическая проницаемость и критическая плотность плазмы.
Оптические резонаторы и его моды.
Краткие
IV
Принципы основы фи- Спонтанное и вынужденное излучение.
работы ла- зики лазе- Инверсия населенности. Принцип рабозеров
ты лазера. Механизмы и способы создаров
ния активной среды лазеров. Свойства
лазерного излучения. Основные типы
лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.
5
9
6. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
№
п/
п
1
2
3
Вид занятия
Форма проведения занятий
лекция
Изложение теоретического материала
интерактивная лекция
лекция
Изложение теоретического материала с помощью презентаций
Решение задач по заданию (индивидуальному где требуется) преподавателя – готовится ответы на вопросы, выданные (индивидуально и коллективно) преподавателем в
процессе лекционных занятий и обсуждаются с участием всех слушателей, используются конспект (электронный) лекций,
учебники, рекомендуемые данной программой, а также учебно-методические пособия
Проведение лабораторных работ в научных
лабораториях ОИВТ РАН
4
лабораторные работы
5
самостоятельная работа студента
Оформление реферата и подготовка его презентации к защите, подготовка к зачету и
экзамену
Цель
получение теоретических знаний по дисциплине
повышение степени понимания материала
осознание связей между
теорией и практикой, а
также взаимозависимостей разных дисциплин
ознакомление с современными средствами регистрации и обработки
спектров излучения
плазмы
повышение степени понимания материала
8
7. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ,
ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Контрольно-измерительные материалы
Перечень контрольных вопросов для сдачи дифференцированного зачета и экзамена.
1. Одиночная электронная лавина. Искажение внешнего поля объемным зарядом.
2. Таунсендовский механизм пробоя. Коэффициент Таунсенда.
3. Кривые Пашена.
4. Закон нарастания тока при таунсендовском механизме пробоя.
5. Стримерный механизм пробоя.
6. Самораспространение стримера. Модель Даусона и Вина.
7. СВЧ-пробой. Набор энергии электрона в переменном электрическом поле, влияние
столкновений.
8. Теория СВЧ пробоя при низких и высоких давлениях.
9. Оптический пробой. Влияние давления газа и длины волны лазерного излучения. Пробой воздуха при атмосферном давлении.
10. Оптический пробой при низких давлениях. Многофотонная ионизация.
11. Вторичная эмиссия. Потенциальное вырывание электронов.
12. Тлеющий разряд. Общая структура.
13. Напряженность электрического поля в положительном столбе тлеющего разряда. Правила подобия.
14. Тлеющий разряд. Баланс энергии электронов и связь температуры электронов с величиной поля.
15. Тлеющий разряд. Температура электронов в тлеющем разряде, связь с давлением и радиусом трубки.
16. Катодный слой тлеющего разряда. Нормальная плотность тока.
17. Влияние нагрева газа на ВАХ тлеющего разряда.
18. Стабилизирующие и дестабилизирующие процессы в тлеющем разряде.
19. Характерные времена процессов в тлеющем разряде.
20. Факторы неравновесности плазмы: отрыв температуры электронов, выход излучения из
плазмы.
21. Факторы неравновесности плазмы: амбиполярная диффузия, нарушение ионизационного
равновесия.
22. Пауза свечения тлеющего разряда после возбуждения плазмы высоковольтным импульсом.
23. Ионизационно-перегревная неустойчивость положительного столба тлеющего разряда.
Расчет инкремента неустойчивости.
24. Ионизационно-перегревная неустойчивость положительного столба тлеющего разряда в
молекулярном газе.
25. Стабилизация разряда электронным пучком и высоковольтными импульсами.
26. Дуговой разряд. Уравнение баланса энергии для цилиндрического канала.
27. Реактивная теплопроводность плазмы.
28. Дуговой разряд. Каналовая модель.
29. Температура плазмы в дуге. ВАХ столба дуги.
30. ВЧ – разряд емкостного типа. Режимы работы.
9
31. ВЧ-разряд индуктивного типа.
32. Непрерывный оптический разряд.
33. Постановка задачи о пробое на основе кинетического уравнения.
34. Расчет частоты ионизации при учете неупругих потерь на основе кинетического уравнения.
35. Эмиссия электронов из твердых тел (автоэлектронная, термоавтоэлектронная).
36. Эмиссия электронов из твердых тел (эффект Шоттки, термоэлектронная эмиссия)
37. Синтез озона в барьерном разряде. Эффективность диссоциации кислорода электронным
ударом.
38. Синтез озона в барьерном разряде. Конверсия атомарного кислорода в озон.
39. Синтез озона в барьерном разряде. Интегральная модель озонатора.
40. Диффузионная зарядка частиц в плазме.
41. Предельный заряд частицы.
42. Зарядка частиц в электрическом поле.
43. Коронный разряд. Напряжение зажигания.
44. ВАХ короны.
45. Влияние заряда частиц на ВАХ короны.
46. Дрейф заряженных частиц в поле. Эффективность электростатического фильтра.
47. Обратная корона. Гистерезис ВАХ короны.
48. Применение неравновесной плазмы для очистки газов от оксидов азота и серы. Принципы очистки. Энергетические затраты.
49. Применение газоразрядной плазмы для очистки газов. Упрощенная кинетическая модель.
50. Применение стримерной короны для очистки газов.
51. Диссоциация СО2 в неравновесной плазме.
52. Математическая модель стримера.
53. Правила подобия для стримера.
54. Типы радиационных переходов.
55. Связь между коэффициентами поглощения, вынужденного и спонтанного испускания
для тормозного излучения.
56. Тормозное излучение электронов при столкновении с атомами и ионами.
57. Рекомбинационное излучение
58. Поглощение излучения в непрерывном спектре.
59. Сечение фотоионизации.
60. Излучение спектральных линий.
61. Механизмы уширения спектральных линий. Сдвиг границы серии.
62. Коэффициент поглощения на заданном спектральном переходе.
63. Уравнение Бибермана-Холстейна
64. Выход резонансного излучения из газового объема.
65. Газоразрядные СО2-лазеры.
66. Лазеры на самоограниченных переходах.
67. Распространение электромагнитных волн через плазму. Использование плазмы для отражения и поглощения электромагнитного излучения.
10
8. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Необходимое оборудование для лекций и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор, звуковая система), доступ к сети Интернет, лабораторное
оборудование в составе: источник низкотемпературной плазмы, спектральный прибор с ПЗСустройством для регистрации спектров и персональный компьютер для программного управления сбором и обработки информации.
Необходимое программное обеспечение: Стандартные пакеты Microsoft Office:
PowerPoint, Word etc., пакеты программ обработки молекулярных спектров LIFBASE и
SPECAIR
Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных
1. NIST Atomic Spectra Database Lines Data (http://physics.nist.gov/ cgi-bin/ AtData/main_asd).
9. НАИМЕНОВАНИЕ ВОЗМОЖНЫХ ТЕМ КУРСОВЫХ РАБОТ
1. Определение локальных параметров сильноионизованной плазмы с помощью матричной
спектроскопии.
2. Адаптация программы спектральной диагностики низкотемпературной плазмы
Spec_Mcd.100 к исследованию свободной дуги в аргоне на стенде кафедры ОФиЯС МЭИ
(ТУ).
3. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов взаимодействия плазма –
эмитирующий катод вблизи температуры плавления материала катода.
4. Развитие методов матричной спектроскопии применительно к гетерогенной низкотемпературной плазме.
10. ТЕМАТИКА И ФОРМЫ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ РАБОТЫ
Учебным планом не предусмотрены
11. ТЕМАТИКА ИТОГОВЫХ РАБОТ
Учебным планом не предусмотрены
12. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основная литература.
1. Очкин В.Н. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.:Физматлит, 2006.
2. О.А.Барсуков. М.А.Ельяшевич. Основы атомной физики. М.: Научный Мир, 2006.
3. И.И.Собельман. Введение в теорию атомных спектров. М.: Физматгиз, 1987.
4. М.А.Ельяшевич. Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматлит. 2 изд., 2001.
5. Л.М.Биберман, В.С.Воробьев, И.Т. Якубов. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982.
6. Ю.П. Райзер. Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009.
Дополнительная литература.
1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. П/р. В.Е.Фортова. Вводный том. ТТ 1-4. М.:
Наука, 2000.
2. Э.И.Асиновский, А.В.Кириллин, В.Л.Низовский. Стабилизированные электрические дуги и их применение в теплофизическом эксперименте. М., Физматлит, 2008.
3. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский. Техника и практика спектроскопии. М.,
Наука, 1976.
Программу составил
________________профессор, д.ф.–м.н.
«___»__________2015 г.
В.Ф.Чиннов,