Министерство науки и образования Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Московский физико-технический институт (государственный университет)»
МФТИ (ГУ)
Кафедра «Физика высокотемпературных процессов»
«УТВЕРЖДАЮ»
Проректор по учебной работе
О. А. Горшков
2012 г.
.
Рабочая УЧЕБНАЯ Программа
по дисциплине: Физико-химические процессы в газоразрядной плазме
по направлению: 010900 «Прикладные математика и физика»
магистерская программа: 010932 – физика высокотемпературных процессов
факультет: МБФ
кафедра: Физика высокотемпературных процессов
курс: 5 (магистратура)
семестры: 9, 10 Диф. зачет: 9 семестр,
экзамен: 10 семестр
Трудоёмкость в зач. ед.: вариативная часть – 5 зач. ед.;
в т.ч.:
лекции: 66 час.;
практические (семинарские) занятия: нет;
лабораторные занятия: нет;
мастер классы, индивид. и групповые консультации: нет;
самостоятельная работа: 66 час.;
курсовые работы: нет;
подготовка к экзамену: 1 зач. ед.
ВСЕГО часов 162
Программу составил: проф., д.ф-м.н., Амиров Р.Х.
Программа обсуждена на заседании кафедры физики высокотемпературных процессов
«____» _______________2012 г.
Заведующий кафедрой академик, д.ф.-м.н. В.Е. Фортов
ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.
Вариативная часть, в т.ч. :
|
__5__ зач. ед.
|
Лекции
|
_66_ часов
|
Практические занятия
|
__-__ часов
|
Лабораторные работы
|
__-__ часов
|
Индивидуальные занятия с преподавателем
|
__-__ часов
|
Самостоятельные занятия, включая подготовку курсовой работы
|
_66_ часов
|
Мастер- классы, индивидуальные и групповые
Консультации
|
__-__ часов
|
Самостоятельные занятия (работа над коллективными и индивидуальными проектами, курсовые работы)
|
__-__ часов
|
Подготовка к экзамену
|
1 зач. ед.
|
ВСЕГО
|
162 часа (5 зач. ед.)
|
Итоговая аттестация
|
Диф. зачет: 9 семестр
Экзамен: 10 семестр
|
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ
Целью освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме» является изучение способов создание газовых разрядов, экспериментальных и теоретических методов исследования физико-химических процессов, как в равновесной, и в неравновесной плазме, и применение полученных знаний при создании и применении газоразрядных технологий.
Задачами данного курса являются:
изучение методов создания равновесной и неравновесной плазмы с заданными параметрами с помощью газовых разрядов различных типов;
ознакомление с научными основами применения газоразрядной плазмы в технологических процессах и в исследовательских целях;
ознакомление с физико-техническими требованиями к методам создания плазмы для практических применений, изучение основных принципов использования физико-химических процессов для диагностики плазмы и при развитии технологий;
формирование у магистрантов способности использовать полученные знания при применении современных плазменных технологий, умение планировать исследования плазмы в широком диапазоне температур и давлений.
Место дисциплины в структуре ООП МАГИСТРАТУРЫ
Дисциплина «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме» включает в себя разделы, которые могут быть отнесены к профессиональному циклу М.2.
Дисциплина «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме» базируется на материалах курсов бакалавриата: базовая и вариативная часть кода УЦ ООП Б.2 (математический естественнонаучный блок) по дисциплинам «Высшая математика» (математический анализ, высшая алгебра, дифференциальные уравнения и методы математической физики), блока «Общая физика» и региональной составляющей этого блока и относится к профессиональному циклу. Освоение курса необходимо для разносторонней подготовки магистров к профессиональной деятельности, включающей как проведение фундаментальных исследований, так и постановку и решение инженерных задач.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
Освоение дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме» направлено на формирование следующих общекультурных и общепрофессиональных интегральных компетенций магистра:
а) общекультурные (ОК):
компетенция самообразования и самоорганизации: способность и стремление к совершенствованию и развитию своего интеллектуального и общекультурного уровня, умение эффективно организовывать свою деятельность и достигать поставленные цели (ОК-1);
компетенция профессиональной мобильности: способность к самостоятельному обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности (ОК-2);
компетенция получения знаний и использования новой информации: способность самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать на практике новые знания и умения, способность интегрировать новую информацию в уже имеющуюся систему знаний и применять её, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-3);
компетенция системного аналитического мышления: способность к системному мышлению и анализу, к аналитической оценке событий и процессов в природе, технике и обществе (ОК-4) ;
компетенция креативности: способность к творчеству, генерации новых идей, созданию нового знания, новых объектов техники и новых технологических процессов (ОК-5);
б) профессиональные (ПК):
способность к пониманию важности воздействия внешних факторов, и их учёта в ходе исследований и разработок (ПК-2);
способность применять основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования в физике, химии, экологии, других естественных и социально-экономических науках (ПК-3);
способность самостоятельно работать на компьютере на уровне квалифицированного пользователя, применять информационно-коммуникационные технологии для обработки, хранения, представления и передачи информации с использованием универсальных пакетов прикладных программ, знание общих подходов и методов по совершенствованию информационно-коммуникационных технологий (ПК-6);
компетенция владения методами исследовательской и проектной деятельности: способность профессионально владеть методами планирования и проведения исследований и экспериментов, выполнения проектов и заданий в избранной предметной области (ПК-8);
компетенция самостоятельных исследований: способность самостоятельно оптимально планировать и проводить теоретические и экспериментальные исследования в избранной предметной области (по программе специализированной подготовки магистра) с использованием эффективных методов (ПК-10);
компетенция количественного описания явлений и процессов: способность применения навыков количественного описания и прогнозирования природных, технологических, производственных и социально-экономических явлений и процессов и динамики их развития (ПК-11);
компетенция математического и физического моделирования явлений и процессов: способность самостоятельно и в составе исследовательской группы разрабатывать, исследовать и применять математические и физические модели при анализе природных, технологических, производственных и социально - экономических процессов и явлений (ПК-12);
компетенция генерации новых знаний и создания новых инструментов для этого: способность к разработке новых теоретических и прикладных направлений научной и инновационной деятельности, новых методов и технических средств для проведения фундаментальных исследований и выполнения инновационных разработок, новых алгоритмов и компьютерных программ для научно-исследовательских и прикладных целей (ПК-14);
компетенция дальнейшего использования результатов исследований: способность к квалифицированному перенесению полученных результатов научных и аналитических исследований на смежные предметные области и к использованию этих результатов для создания новых объектов техники и технологии и для инновационной деятельности (ПК-16);
способность к участию в разработке и создании новых объектов техники и технологии (в сфере высоких и наукоёмких технологий) в качестве одного из ведущих разработчиков или в качестве руководителя малого коллектива исполнителей (ПК-17);
способность к участию в разработке и реализации проекта (научной или инновационной программы) в качестве исполнителя, ответственного за самостоятельный участок работы или в качестве руководителя малого коллектива исполнителей (ПК-20).
конкретные Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины «Физико-химические процессы в газоразрядной плазме» обучающийся должен:
основные элементарные процессы в плазме;
процессы взаимодействия постоянного и переменного электрических полей с электронами плазмы;
основные требования к физико-химическим процессам в плазме при их практическом использовании;
основы диагностики газоразрядной плазмы;
основные типы газовых разрядов, получаемых в лабораторных условиях;
способы получения равновесной и неравновесной плазмы;
особенности электрического пробоя в электрических полях различной частоты;
методы определения параметров плазмы из электрических характеристик газовых разрядов;
теоретические методы расчета параметров газоразрядной плазмы;
практические требования к газовым разрядам и принципы использования их в технологиях.
Уметь:
определять какие физико-химические процессы существенны при использовании газового разряда в приложениях;
пользоваться своими знаниями для выбора параметров газовых разрядов в исследовательских, прикладных и технологических задачах;
уметь выбирать методы диагностики при исследовании плазмы газовых разрядов;
делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
производить численные оценки параметров газоразрядной плазмы по порядку величины;
видеть в задачах использования плазмы основные физико-химические процессы, определяющие эффективность газовых разрядов;
осваивать теоретические подходы к исследованию плазмы и новые экспериментальные методики;
работать на современном, в том числе и уникальном экспериментальном оборудовании;
эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и экспериментальных результатов.
Владеть:
навыками работы с литературой по плазме и газовому разряду;
навыками самостоятельной работы в лаборатории, в библиотеке и Интернете;
культурой постановки и проведения эксперимента при использовании газового разряда;
навыками выбора методов диагностики газоразрядных процессов;
навыками грамотной обработки результатов экспериментов и сопоставления с теоретическими и литературными данными;
практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач;
навыками оценки параметров плазмы и скорости основных физико-химических процессов в газовом разряде.
Структура и содержание дисциплины
Структура преподавания дисциплины
Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам
№ темы и название
|
Количество часов
|
1. Процессы на электродах газовых разрядов
|
12
|
2. Электрический пробой газа
|
20
|
3. Газоразрядные методы генерации плазмы
|
22
|
4. Излучательные процессы в газоразрядной плазме
|
12
|
5. Физические основы методов диагностики газоразрядной плазмы
|
10
|
6. Плазмохимические процессы в плазме
|
18
|
7. Газоразрядные лазеры
|
18
|
8. Частицы в плазме
|
8
|
9. Неустойчивости газоразрядной плазмы
|
12
|
ВСЕГО (зач. ед.(часов))
|
132 часов (4 зач. ед.)
|
Лекции:
№ п.п.
|
Темы
|
Трудоёмкость
(количество часов)
|
1
|
Работа выхода электронов из твердого тела. Эффект Шоттки. Эмиссия электронов из твердых тел (автоэлектронная, термоавтоэлектронная). Взрывная эмиссия.
|
2
|
2
|
Взаимодействие частиц с поверхностью твердых тел. Вторичная эмиссия под действием ионов (потенциальная и кинетическая). Катодное распыление частиц твердого тела.
|
2
|
3
|
Пробой газа. Ионизация и пробой в постоянном поле. Таунсендовский механизм пробоя. Коэффициент Таунсенда. Электронная лавина. Искажение поля пространственным разрядом. Размножение зарядов через вторичную эмиссию. Потенциал зажигания. Кривые Пашена. Постановка задачи о пробое на основе кинетического уравнения.
|
3
|
4
|
Стримерный пробой. Условия перехода от одиночной лавины к стримеру. Модель самоподерживающего стримера.
|
2
|
5
|
Пробой при высоком перенапряжении. Эффект непрерывного ускорения электронов. Волны ионизации. Пробой в электротрицательных газах. Газовые изоляторы (элегаз).
|
3
|
6
|
Пробой в СВЧ-поле. Набор энергии электронов в переменном электрическом поле. СВЧ-пробой при низких и высоких давлениях. Оптический пробой. Многофотонная ионизация. Постановка задачи о пробое на основе кинетического уравнения.
|
3
|
7
|
Дуговые разряды. Положительный столб дуги постоянного тока. Каналовая модель. Распределение температуры и плотности тока. Температура плазмы и ВАХ столба дуги высокого давления.
|
3
|
8
|
Тлеющий разряд. Общая структура и внешний вид. Катодный слой. Положительный столб. Теория Шоттки. Электронная температура. Влияние нагрева газа на ВАХ. Пауза свечения тлеющего разряда после возбуждения наносекундным импульсом.
|
3
|
9
|
Коронный разряд. Распределение поля в короне в простейших случаях. Перенос тока за пределами области размножения и ВАХ. Начальные напряжения короны. Особенности короны в электроотрицательных газах. Потери на корону в высоковольтных линиях. Прерывистая корона. Газовый разряд как способ очистки выбросов в энергетике.
|
3
|
10
|
ВЧ – разряд емкостного типа. Режимы работы. ВЧ-разряд индуктивного типа. Баланс энергии. Модель металлического цилиндра. Температура плазмы. СВЧ – разряд. Непрерывный оптический разряд. Обеспечение стационарного состояния плазмы в условиях поглощения лазерного излучения. Связь параметров плазмы с вкладываемой мощностью.
|
3
|
11
|
Типы радиационных переходов. Связь между коэфф. поглощения, вынужденного и спонтанного испускания. Тормозное излучение электронов. Рекомбинационное излучение. Поглощение в непрерывном спектре.
|
3
|
12
|
Сечение фотоионизации. Излучение спектральных линий. Уширение линий. Естественная ширина и форма линии. Столкновительное уширение. Тепловое движение атомов. Эффект Штарка. Сдвиг границы серии. Селективное поглощение.
|
3
|
13
|
Спектральные методы. СВЧ – диагностика плазмы. Зондовые методы. Лазерная диагностика.
|
2
|
14
|
Распространение электромагнитных волн через плазму. Использование плазмы для отражения и поглощения электромагнитного излучения
|
3
|
15
|
Синтез озона в барьерном разряде. Эффективность диссоциации кислорода электронным ударом. Конверсия атомарного кислорода в озон. Интегральная модель озонатора. Синтез озона в криогенном наносекундном разряде.
|
3
|
16
|
Неравновесные плазмохимические процессы. Принципиальная схема очистки дымовых газов от окислов азота и серы радиационно-плазмохимическими методами. Получение и прямые каналы использования активных радикалов. Факторы, определяющие энергетическую эффективность. Применение стримерной короны для очистки продуктов сгорания.
|
3
|
17
|
Упрощенная кинетическая схема при газоразрядной очистке газов от токсичных примесей. Диссоциация СО2 в неравновесной плазме. Физическая кинетика диссоциации СО2 через колебательное возбуждение основного электронного состояния.
|
3
|
18
|
Газоразрядные СО2-лазеры. Оптимальный состав газа. Связь параметров разряда с выходными характеристиками. Допустимые энерговклады. Методы повышения выходной мощности непрерывных СО2-лазеров. Системы с прокачкой газа. Электроионизационные лазеры.
|
3
|
19
|
Лазеры на самоограниченных переходах. Перспективные рабочие тела, азотный лазер, лазер на парах меди. Кинетические схемы.
|
3
|
20
|
Эксимерные лазеры. Физические процессы и кинетическая модель. Оптимальные составы рабочего тела и методы возбуждения.
|
3
|
21
|
Диффузионная зарядка частицы. Зарядка частиц в электрическом поле. Максимальная величина заряда частицы.
|
2
|
22
|
Дрейф заряженных частиц в поле. Эффективность электростатического фильтра на основе коронного разряда.
|
2
|
23
|
Неустойчивости тлеющего разряда Контракция положительного столба. Неустойчивость плазмы. Общий феноменологический подход. Дестабилизирущие факторы: ступенчатая ионизация, нагрев газа, метастабильные состояния.
|
3
|
24
|
Ионизационная перегревная неустойчивость положительного столба тлеющего разряда. Факторы стабилизации: электронный пучок, импульсный разряд.
|
3
|
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
|
66 часов (2 зач. ед.)
|
Самостоятельная работа:
№ п.п.
|
Темы
|
Трудоёмкость
(количество часов)
|
1
|
Работа выхода электронов из твердого тела. Эффект Шоттки. Эмиссия электронов из твердых тел (автоэлектронная, термоавтоэлектронная). Взрывная эмиссия.
|
2
|
2
|
Взаимодействие частиц с поверхностью твердых тел. Вторичная эмиссия под действием ионов (потенциальная и кинетическая). Катодное распыление частиц твердого тела.
|
2
|
3
|
Пробой газа. Ионизация и пробой в постоянном поле. Таунсендовский механизм пробоя. Коэффициент Таунсенда. Электронная лавина. Искажение поля пространственным разрядом. Размножение зарядов через вторичную эмиссию. Потенциал зажигания. Кривые Пашена. Постановка задачи о пробое на основе кинетического уравнения.
|
3
|
4
|
Стримерный пробой. Условия перехода от одиночной лавины к стримеру. Модель самоподерживающего стримера.
|
2
|
5
|
Пробой при высоком перенапряжении. Эффект непрерывного ускорения электронов. Волны ионизации. Пробой в электротрицательных газах. Газовые изоляторы (элегаз).
|
3
|
6
|
Пробой в СВЧ-поле. Набор энергии электронов в переменном электрическом поле. СВЧ-пробой при низких и высоких давлениях. Оптический пробой. Многофотонная ионизация. Постановка задачи о пробое на основе кинетического уравнения.
|
3
|
7
|
Дуговые разряды. Положительный столб дуги постоянного тока. Каналовая модель. Распределение температуры и плотности тока. Температура плазмы и ВАХ столба дуги высокого давления.
|
3
|
8
|
Тлеющий разряд. Общая структура и внешний вид. Катодный слой. Положительный столб. Теория Шоттки. Электронная температура. Влияние нагрева газа на ВАХ. Пауза свечения тлеющего разряда после возбуждения наносекундным импульсом.
|
3
|
9
|
Коронный разряд. Распределение поля в короне в простейших случаях. Перенос тока за пределами области размножения и ВАХ. Начальные напряжения короны. Особенности короны в электроотрицательных газах. Потери на корону в высоковольтных линиях. Прерывистая корона. Газовый разряд как способ очистки выбросов в энергетике.
|
3
|
10
|
ВЧ – разряд емкостного типа. Режимы работы. ВЧ-разряд индуктивного типа. Баланс энергии. Модель металлического цилиндра. Температура плазмы. СВЧ – разряд. Непрерывный оптический разряд. Обеспечение стационарного состояния плазмы в условиях поглощения лазерного излучения. Связь параметров плазмы с вкладываемой мощностью.
|
3
|
11
|
Типы радиационных переходов. Связь между коэфф. поглощения, вынужденного и спонтанного испускания. Тормозное излучение электронов. Рекомбинационное излучение. Поглощение в непрерывном спектре.
|
3
|
12
|
Сечение фотоионизации. Излучение спектральных линий. Уширение линий. Естественная ширина и форма линии. Столкновительное уширение. Тепловое движение атомов. Эффект Штарка. Сдвиг границы серии. Селективное поглощение.
|
3
|
13
|
Спектральные методы. СВЧ – диагностика плазмы. Зондовые методы. Лазерная диагностика.
|
2
|
14
|
Распространение электромагнитных волн через плазму. Использование плазмы для отражения и поглощения электромагнитного излучения
|
3
|
15
|
Синтез озона в барьерном разряде. Эффективность диссоциации кислорода электронным ударом. Конверсия атомарного кислорода в озон. Интегральная модель озонатора. Синтез озона в криогенном наносекундном разряде.
|
3
|
16
|
Неравновесные плазмохимические процессы. Принципиальная схема очистки дымовых газов от окислов азота и серы радиационно-плазмохимическими методами. Получение и прямые каналы использования активных радикалов. Факторы, определяющие энергетическую эффективность. Применение стримерной короны для очистки продуктов сгорания.
|
3
|
17
|
Упрощенная кинетическая схема при газоразрядной очистке газов от токсичных примесей. Диссоциация СО2 в неравновесной плазме. Физическая кинетика диссоциации СО2 через колебательное возбуждение основного электронного состояния.
|
3
|
18
|
Газоразрядные СО2-лазеры. Оптимальный состав газа. Связь параметров разряда с выходными характеристиками. Допустимые энерговклады. Методы повышения выходной мощности непрерывных СО2-лазеров. Системы с прокачкой газа. Электроионизационные лазеры.
|
3
|
19
|
Лазеры на самоограниченных переходах. Перспективные рабочие тела, азотный лазер, лазер на парах меди. Кинетические схемы.
|
3
|
20
|
Эксимерные лазеры. Физические процессы и кинетическая модель. Оптимальные составы рабочего тела и методы возбуждения.
|
3
|
21
|
Диффузионная зарядка частицы. Зарядка частиц в электрическом поле. Максимальная величина заряда частицы.
|
2
|
22
|
Дрейф заряженных частиц в поле. Эффективность электростатического фильтра на основе коронного разряда.
|
2
|
23
|
Неустойчивости тлеющего разряда Контракция положительного столба. Неустойчивость плазмы. Общий феноменологический подход. Дестабилизирущие факторы: ступенчатая ионизация, нагрев газа, метастабильные состояния.
|
3
|
24
|
Ионизационная перегревная неустойчивость положительного столба тлеющего разряда. Факторы стабилизации: электронный пучок, импульсный разряд.
|
3
|
ВСЕГО ( зач. ед.(часов))
|
66 часов (2 зач. ед.)
| |
