УТВЕРЖДАЮ Декан ЭФФ ____________ «_____»___________2009 г. Физика и техника низкотемпературной плазмы, плазмохимия и плазменные технологии обработки и модификации свойств материалов(название дисциплины) Рабочая программа для направления 140200 "Электроэнергетика", магистерской программы "Техника и физика высоких напряжений" (номер и название направления, специальности, специализации) Электрофизический факультет (ЭФФ) (полное название и сокращенное обозначение) Обеспечивающая кафедра: кафедра техники и электрофизики высоких напряжений (ТЭВН) Курс VI Семестр 11 Учебный план подготовки магистров набора 2008 года Распределение учебного времени: Лекции 54 часа (ауд.) Лабораторные занятия 18 часов (ауд.) Практические (семинарские) занятия 18 часов (ауд.) Всего аудиторных занятий 90 часов Самостоятельная (внеаудиторная) 126 часов работа Общая трудоемкость 216 часов Экзамен в 11 семестре 2009 |
I. Предисловие
Рабочая программа составлена на основе Государственного образовательного стандарта № 000 техн./маг., утвержденного 27.03.2000 г.
(наименование документа университетского уровня)
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры - кафедры техники и электрофизики высоких напряжений ________ __________, протокол № ____________
Разработчик, доцент каф. ТЭВН ______________
Рабочая программа СОГЛАСОВАНА с электрофизическим факультетом; СООТВЕТСТВУЕТ действующему плану.
Зав. кафедрой техники и электрофизики
высоких напряжений,
профессор _______________
УДК 544.54; 544.55
Ключевые слова: плазмохимия, химическая кинетика, низкотемпературная плазма, элементарные процессы в плазме, неравновесная плазмохимия, газовый разряд, цепные процессы, электронный пучок, заряженные частицы, химический реактор, плазменная конверсия метана, плазмохимический синтез нанопорошков, технология.
Аннотация
Плазмохимия
Каф. ТЭВН ЭФФ
Доцент, д. ф.-м. н.
Тел.(3822)-571607; e - mail: *****@***ru
Цель: формирование знаний и умений для решения задач, связанных с плазмохимией
Рассмотрены следующие вопросы: физико-технические аспекты плазмохимии, кинетика плазмохимических реакций, заряженные частицы в неравновесной плазме, возбужденные частицы в плазмохимии, микрокинетика химически активной плазмы, баланс энергии плазмохимических процессов, методы генерации плазмы, процессы диссоциации и разложения в плазмохимии, синтез неорганических соединений плазмохимические процессы в органической химии, гетерогенные плазмохимические процессы, получение порошкообразных материалов, вакуумные плазмохимические технологии.
Курс 6 (11 сем - экзамен)
Всего 216 ч, в т. ч. Ауд. 90, Лк 54 ч, Пр 18 ч, Лб 18 ч, См 126 ч.
Разработчик программы - доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений ЭФФ .
Тел.(3822)-571607
E-mail *****@***ru
The summary of the program on discipline «plasmochemistry» The content of the course: Goal: Formation of knowledge and skills in order to solve the problems related to plasmochemistry.
The following tasks have been considered: physical technical aspects of plasmochemistry, kinetics of plasmochemical reactions, charged particles in non-equilibrium plasma, excited particles in plasmochemistry, micro kinetics of chemically active plasma, energy balance of dissociation and decomposition in plasmochemistry, synthesis of inorganic compositions, plasmochemical processes in organic chemistry, heterogeneous plasmochemical processes, powder-based material generation, vacuum plasmochemical technologies.
6th year, 11 seminars, exam.
Total: 216 hours including aud. 90 hours, lectures 54 hours, practice 18 hours, lab 18 hours, independent study 126 hours.
The author of the program is a доцент кафедры техники и электрофизики высоких напряжений ЭФФ Pushkarev Alexander Ivanovitch
Phone: (38
E-mail: *****@***ru
II. Цели и задачи учебной дисциплины
Плазмохимические технологии широко применяются в мировой практике: в многотоннажной химии, при получении порошкообразных материалов, осаждении покрытий, в полупроводниковой электронике, при решении экологических задач, в научных исследованиях и т. д. Физика химически активной плазмы - научное направление, интенсивно развивающееся в настоящее время. Поэтому представителям различных специальностей, опирающихся в своей работе на плазмохимические технологии, необходимо иметь представление о существующих и разрабатываемых перспективных технологических процессах, которые могут иметь отношение к различным отраслям деятельности людей.
Изучение данной дисциплины опирается на знания, полученные при изучении дисциплин: “Высшая математика”, “Общая физика”, “Атомная физика”, «Физика твердого тела», «Взаимодействие излучения с веществом», «Фундаментальные вопросы физики плазмы», «Компьютерные технологии в науке и образовании».
Цель преподавания дисциплины: формирование физических представлений о физико-химических основах плазмохимических технологий, об областях использования плазмохимических технологических процессов, развитие навыков и умений применения этих знаний при работе в различных областях научной и практической деятельности, связанной с плазмохимией.
Цели преподавания дисциплины, характеризующие знания и умения, которыми должен владеть специалист:
специалист должен иметь представление:
· об основных понятиях и законах в химической кинетике и физике плазмы
· о кинетике и термодинамике плазмохимических реакций;
· об основных процессах в неравновесной плазме;
специалист должен знать:
· основные типы газовых разрядов, используемых в плазмохимии;
· области применения плазмохимических установок;
Задачи изложения и изучения дисциплины реализуются в следующих формах деятельности:
· лекции, нацеленные на получение необходимой информации и способах ее использования при решении практических задач;
· практические занятия, направленные на активизацию познавательной деятельности студентов и приобретения ими навыков решения практических и проблемных задач;
· самостоятельная внеаудиторная работа направлена на приобретение навыков самостоятельного решения задач по дисциплине и реализуется в виде специальных практических заданий по всем разделам дисциплины;
· консультации по материалам лекций и самостоятельной 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;
· 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)
Лекция 1. Вводная.
Структура курса лекций и практических занятий. Определение плазмохимии. Объект и основные особенности плазмохимии.
Лекция 2. Основные понятия химической кинетики.
Предмет химической кинетики. Скорость химической реакции. Закон действия масс. Константа скорости химической реакции.
Лекция 3. Равновесная химическая кинетика.
Уравнение Аренниуса. Порядок реакции. Кинетическое уравнение реакции. Распределение Максвелла. Внутренняя энергия молекулы.
Лекция 4. Введение в физику плазмы.
Понятие плазмы, квазинейтральность плазмы, дебаевская экранировка. Радиус Дебая. Потенциал пробной частицы в плазме. Плазменные колебания. Классическая и вырожденная плазма. Идеальная и неидеальная плазма. Степень ионизации. Формула Саха.
Лекция 5. Элементарные процессы в плазме
Скорость протекания элементарных процессов. Сечение столкновений. Упругое взаимодействие электронов с атомами. Эффект Рамзауэра. Неупругие элементарные процессы первого рода. Возбуждение при соударении электронов с нейтральными частицами. Селективное колебательное возбуждение. Прямая и ступенчатая ионизация в плазме.
Лекция 6. Взаимодействие заряженных частиц с поверхностью твердых тел. Плазмокаталитические процессы.
Лекция 7. Элементарные процессы второго рода
Рекомбинация. Ударная рекомбинация. Диссоциативная рекомбинация. Элементарные процессы в разреженной плазме, корональное равновесие, формула Эльверта. Каналы релаксации возбужденных частиц в плазме. Спектры свечения возбужденных молекул. Спектроскопия. Диссоциативная релаксация возбужденных молекул. Диссоциация колебательно возбужденных молекул. Механизм Тринора.
Лекция 8. Введение в физику газового разряда.
Механизмы развития электрического разряда. Таудсендовский разряд. Кривая Пашена. Катодные процессы. Стример. Искра.
Лекция 9. Виды газовых разрядов.
Тлеющий разряд: условия горения, конструкция и области применения. Искровой разряд. Дуговой разряд. Коронный разряд. Барьерный разряд. Скользящий разряд.
Лекция 10. Пробой газа на переменном напряжении.
ВЧ - емкостной разряд. ВЧ - индукционный разряд. СВЧ-разряд. Оптический пробой газа.
Лекция 11. Типовые конструкции газоразрядных источников низкотемпературной плазмы.
Плазмотроны. Плазмогенераторы с накаленным катодом. Магнетроны.
Лекция 12. Методы генерации пучков заряженных частиц.
Метод прямого ускорения. Уравнение Чайлда-Ленгмюра. Линейные индукционные ускорители. Генераторы импульсных сильноточных электронных пучков.
Лекция 13. Генераторы мощных ионных пучков.
Диодные системы генераторов МИП. Диод с внешней магнитной изоляцией. Диод с самоизоляцией. Фокусировка и транспортировка ионных пучков.
Лекция 14. Диагностическое оборудование генераторов низкотемпературной плазмы.
Высокочастотные высоковольтные делители напряжения. Пояс Роговского. Цилиндр Фарадея. Измерение плотности мощного ионного пучка. Дозиметрическая пленка. Зонд Лэнгмюра.
Лекция 15. Неравновесная химическая кинетика.
Специфические особенности плазмохимических реакций. Квазиравновесные плазмохимические процессы. Неравновесные плазмохимические процессы. Основные понятия в неравновесной химической кинетике. Принципы организации плазмохимических процессов.
Лекция 16. Типы реакций, встречающиеся в плазмохимии.
Мономолекулярные реакции. Бимолекулярные и тримолекулярные реакции. Ударно-радиационная рекомбинация. Рекомбинация тяжелых частиц в молекулу на поверхности твердых тел (гетерогенная рекомбинация).
Лекция 17. Неравновесное возбуждение молекул.
Химическое возбуждение. Образование неравновесного распределения энергии молекул при газодинамическом расширении газа. Колебательное возбуждение молекул электронным ударом. Особенности инициирования плазмохимических процессов импульсным электронным пучком.
Лекция 18. Цепные газофазные процессы.
Период индукции, предел воспламенения. Классификация цепных процессов. Неразветвленные цепные реакции. Цепные реакции с квадратичным разветвлением. Цепные реакции с вырожденным разветвлением. Цепные реакции с энергетическим разветвлением. Цепные реакции с участием электрона.
Лекция 19. Цепные химические процессы при внешнем воздействии.
Цепной процесс окисления водорода. Период индукции воспламенения при внешнем воздействии на кислород - водородную смесь. Смещение пределов воспламенения стехиометрической кислород-водородной смеси при внешнем воздействии. Колебательный характер воспламенения смеси 2H2+O2 при инициировании импульсным электронным пучком. Выгорание стехиометрической кислород-водородной смеси. Конденсации паров воды.
Лекция 20. Конверсия метана в низкотемпературной плазме.
Плазменный пиролиз метана. Пиролиз метана в высокомолекулярные углеводороды. Использование катализаторов в плазменном пиролизе метана. Парциальное окисление метана в низкотемпературной плазме. Углекислотная плазменная конверсия метана. Паровая конверсия метана. Комбинированные методы плазмохимической конверсии метана.
Лекция 21. Цепная плазмохимическая конверсия метана.
Радиационно-термический крекинг метана. Окисление метана в равновесных условиях при низком давлении. Цепной процесс окисления метана при внешнем воздействии.
Лекция 22. Плазмохимический синтез нанодисперсных частиц.
Плазмохимический синтез нанодисперсных оксидов металлов. Синтез нанодисперсного диоксида титана при воздействии импульсного электронного пучка. Неравновесный плазмохимический синтез композиционных нанодисперсных оксидов.
Лекция 23. Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур.
Алотропные формы углерода. Фуллерены. Неравновесные механизмы синтеза углеродных наноструктур. Выделение фуллеренов из фуллереносодержащей сажи.
Лекция 24. Пучково-плазменные технологии упрочнения и модификации поверхности металлических изделий.
Основные физические процессы взаимодействия пучков заряженных частиц с твердым телом. Экстраполированный пробег. Поглощенная доза. Наноструктурирование приповерхностного слоя. Короткоимпульсная имплантация. Отжиг дефектов. Абляция. Высокоскоростное напыление пленочных покрытий.
Лекция 25. Применения низкотемпературной плазмы в химическом производстве.
Синтез оксидов азота. Плазмохимическая обработка полимеров. Типы разрядов, применяемые для плазмохимической обработки полимеров. Механизмы взаимодействия плазмы с полимерами.
Лекция 26. Плазмохимическая обработка медицинских полимеров.
Плазмохимическая очистка и стерилизация поверхности. Сшивание и модифицирование поверхностных физико-механических характеристик в плазме инертных газов. Функционализация и регулирование гидрофильно-гидрофобных свойств поверхности полимеров в плазме газового разряда.
Лекция 27. Плазмохимические методы переработки отходов.
Плазменные методы переработки твердых отходов. Окисление двуокиси серы SO2 в дымовых газах. Деструкция оксидов азота в газообразных отходах. Разложение органических соединений.
IV. Содержание практического раздела дисциплины
(Практические (семинарские) занятия - 18 часов)
1. Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500. Принцип работы и применение в плазмохимии | 4 часа |
2. Семинар по газовым разрядам: условия горения, конструкция и области применения | 4 часа |
3. Установки комбинированной плазмохимической обработки металлических изделий |
4 часа |
4. Импульсный ионный ускоритель ТЕМП-4. Принцип работы и применение в плазмохимии | 2 часа |
5. Плазмохимическая конверсия метана на лабораторных стендах НИИВН | 4 часа |
(Лабораторные занятия - 18 часов)
1. Импульсный электронный ускоритель ТЭУ-500. Калибровка диагностического оборудования и расчет баланса энергии | 4 часа |
2. Плазмохимическая конверсия метана на лабораторном стенде ТЭУ-500 | 4 часа |
3. Исследование состава и энергетического спектра мощного ионного пучка, формируемого импульсным ионным ускорителем ТЕМП-4М | 4 часа |
4. Пучково-плазменная технология модификации поверхности металлических изделий | 4 часа |
5. Плазмохимический синтез нанодисперсных частиц на лабораторном стенде ТЭУ-500 | 2 часа |
Для каждой практической работы разработаны специальные задания с теоретическими вопросами и задачами. Задачи решаются во время занятий и во время самостоятельной работы. Объем заданий определяется временем, отведенным студенту учебным планом. Каждое выполненное задание студент защищает преподавателю и получает определенное число баллов в рамках рейтинговой системы, принятой в ТПУ.
V. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
1. , Ремнев плазмохимии. Низко-температурная плазма. Учебное пособие для студентов направления 140200 «Электроэнергетика». - Томск: Издательство ТПУ. 20с.
2. , , Ремнев процессы в низкотемпературной плазме.- Новосибирск: Наука, 2006.-226 с.
3. и др. Теоретическая и прикладная плазмохимия.. М.: Наука, 1975, 304 с
4. Райзер физики газоразрядных процессов. М.: Наука, 1980, 415 с.
5. Смирнов и возбужденные атомы в плазме. М.: Атомиздат, 1974, 320 с.
6. Кинетика и термодинамика химических реакций в низкотемпературной плазме. Под ред. М.: Наука, 1965, 254 с.
7. Словецкий химических реакций в неравновесной плазме. М.: Наука, 1980, 310 с.
8. , Фридман химически активной плазмы. М.: Наука, 1984, 415 с.
9. Горение, пламя и взрывы в газах, М. Мир,1968, 280с.
10. , Воеводский окисления и горения водорода. М.: Изд-во Ан СССР, 1949, 179с.
11. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хадллстоуна, С. Леонарда. М.: Мир, 1967, 302с.
12. , , Фридман неравновесной химически активной плазмы. М. Энергоатомиздат, 1984, 240с.
13. Атомно-водородная энергетика и технология. М. Атомиздат, 1978, 340с.
14. Незлин пучков в плазме. М.: Энергоиздат, 1982, 264с.
15. , Лукьянов заряженных частиц в электрических и магнитных полях. М.: Наука, 1972.
16. Основы физики плазмы. Пер. с англ. , под ред. М.: Мир, 1975, 525с.
17. Введение в физику сильноточных пучков заряженных частиц. М.: Мир, 1984, 420 с.
18. , Никитин процессы в газах. – М.: Наука, 1981. – 264 с.
19. Денисов гомогенных химических реакций.– М.: Высш. шк.,1988. – 391 с. , Ремпель материалы.– М.: Физматлит. – 2001. – 223 с.
VI. Вопросы к экзамену.
1. Основные понятия в химической кинетике: скорость химической реакции, закон действия масс, константа скорости реакции, уравнение Аррениуса, кинетическое уравнение реакции.
2. Понятие плазмы, радиус Дебая. Классификация плазмы. Степень ионизации. Формула Саха.
3. Элементарные процессы в плазме: классификация, скорость протекания элементарных процессов, сечение столкновений.
4. Элементарные процессы первого рода. Прямая и ступенчатая ионизация в плазме.
5. Процессы релаксации возбужденных частиц в плазме. Механизм Тринора.
6. Механизмы развития электрического разряда. Таудсендовский разряд. Кривая Пашена.
7. Стримерная и искровая формы газовых разрядов.
8. Виды газовых разрядов.
9. Пробой газа на переменном напряжении.
10 Типовые конструкции газоразрядных источников низкотемпературной плазмы.
11. Методы генерации пучков заряженных частиц. Генераторы импульсных сильноточных электронных пучков. Генераторы мощных ионных пучков.
12. Диагностическое оборудование генераторов низкотемпературной плазмы.
Зонд Лэнгмюра. Пояс Роговского. Цилиндр Фарадея. Измерение плотности мощного ионного пучка.
13. Специфические особенности плазмохимических реакций. Квазиравновесные плазмохимические процессы. Неравновесные плазмохимические процессы.
14. Принципы организации плазмохимических процессов. Типы реакций, встречающиеся в плазмохимии.
15. Методы неравновесного возбуждения молекул.
16. Цепные газофазные процессы.
17. Цепные химические процессы при внешнем воздействии.
18. Конверсия метана в низкотемпературной плазме.
19. Цепная плазмохимическая конверсия метана.
20. Плазмохимический синтез нанодисперсных частиц.
21. Плазмохимические методы получения углеродных наноструктур.
22. Пучково-плазменные технологии упрочнения и модификации поверхности металлических изделий.
23. Применения низкотемпературной плазмы в химическом производстве.
24. Плазмохимическая обработка медицинских полимеров.
25. Плазмохимические методы переработки отходов.
