Электронная и ионная оптика

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ»:

Проректор по учебной работе

_______________________ / М /

__________ _____________ 2011 г.

ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА

Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

очная форма обучения.

«ПОДГОТОВЛЕНО К ИЗДАНИЮ»:

Автор работы _____________________________//

«______»___________2011 г.

Рассмотрено на заседании кафедры микро и нанотехнологий

«__»___________2011 г., протокол №____.

Соответствует требованиям к содержанию, структуре и оформлению.

«РЕКОМЕНДОВАНО К ЭЛЕКТРОННОМУ ИЗДАНИЮ»:

Объем _________стр.

Зав. кафедрой ______________________________//

«______»___________ 2011 г.

Рассмотрено на заседании УМК ИМЕНИТ

«____»______________ 2011 г., протокол №____.

Соответствует ФГОС ВПО и учебному плану образовательной программы.

«СОГЛАСОВАНО»:

Председатель УМК ________________________/ /

«______»_____________2011 г.

«СОГЛАСОВАНО»:

Зав. методическим отделом УМУ_____________/ /

«______»_____________201__ г.

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт математики, естественных наук и информационных технологий

Кафедра микро - и нанотехнологий

ЭЛЕКТРОННАЯ И ИОННАЯ ОПТИКА

Учебно-методический комплекс.

Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника».

очная форма обучения.

Тюменский государственный университет

2011

. Электронная и ионная оптика. Учебно-методический комплекс. Рабочая программа для студентов направления 222900.62 «Нанотехнологии и микросистемная техника»; очная форма обучения. Тюмень, 2011, ___ стр.

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.

Рабочая программа дисциплины (модуля) опубликована на сайте ТюмГУ: Электронная и ионная оптика [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www. *****., свободный.

Рекомендовано к изданию кафедрой микро - и нанотехнологий. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.

ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: зав. кафедрой микро-и нанотехнологий, д. ф.-м. н., профессор

© Тюменский государственный университет, 2011.

© , 2011.

1.  Пояснительная записка

1.1.  Цели и задачи дисциплины (модуля)

Цель курса – дать студентам достаточно глубокие знания данного раздела физики, который является основой многих современных высоких технологий с использованием пучков заряженных частиц.

Основные задачи курса:

-  изучить основные понятия и физические идеи заложенные в основу оптики пучков заряженных частиц;

-  ознакомиться с конструкцией и оптическими свойствами отклоняющих устройств, осесимметричных и мультипольных линз;

-  изучить основы теории аберраций;

-  освоить современный математический аппарат, используемый для расчета различных систем формирования и транспортировки пучков зараженных частиц.

1.2.  Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата

Дисциплина «Электронная и ионная оптика» – это дисциплина по выбору, которая входит в вариативную часть профессионального цикла.

Для ее успешного изучения необходимы знания и умения, приобретенные (или приобретаемые параллельно) в результате освоения предшествующих дисциплин: «общая физика», «химия», «математический анализ», «дифференциальные уравнения», «теория функции комплексной переменной», «электротехника», «радиоэлектроника», «физика плазмы».

Освоение дисциплины «Электронная и ионная оптика» необходимо при последующем изучении дисциплин «Физико-химические основы процессов микро - и нанотехнологий», «Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем», а также для подготовки и написания выпускной квалификационной работы.

1.3.  Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной ООП ВПО.

В результате освоения ООП бакалавриата выпускник должен обладать следующими компетенциями:

готовностью учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники, информационных технологий в своей профессиональной деятельности (ПК-3);

способностью собирать, обрабатывать, анализировать и систематизировать научно-техническую информацию по тематике исследования, использовать достижения отечественной и зарубежной науки, техники и технологии (ПК-6);

готовностью аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик материалов и компонентов нано - и микросистемной техники (ПК-11).

В результате освоения дисциплины обучающийся должен:

·  Знать:

-  основные параметры характеризующие пучки заряженных частиц (фазовый объем, эмиттанс, распределение плотности тока в фазовом пространстве, яркость пучка, величину тока и тип заряженных частиц);

-  общие закономерности движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях на основе представлений классической физики и освоить методы матричной алгебры при описании движения пучков частиц через различные оптические элементы в системах транспортировки пучков;

-  характер движения заряженных частиц в аксиально-симметричных системах (теорема Буша и уравнение параксиального луча), конструкцию и принципы работы электростатических и магнитных линз с аксиальной симметрией;

-  характер движения пучков заряженных частиц в поперечных магнитных и электрических полях, конструкцию и принципы работы магнитных и электростатических отклоняющих устройств;

-  движение пучков заряженных частиц в магнитном и электростатическом мультипольном поле, устройство мультипольных линз и оптические свойства систем состоящих из различных комбинаций мультипольных линз;

-  виды аберраций привносимых в пучок различными типами корпускулярной оптики.

·  Уметь:

-  решать задачи на определение основных характеристик устройств корпускулярной оптики;

-  рассчитывать траектории движения заряженных частиц в полях различной конфигурации;

-  выполнять расчеты режимов работы систем транспортировки пучков заряженных частиц в зависимости от их назначения;

-  выполнять минимизацию основных видов аберраций.

·  Владеть:

-  математическим аппаратом по расчету систем формирования и транспорта пучков заряженных частиц;

-  навыками эксплуатации оборудования, использующего электронные и ионные пучки.

2.  Структура и трудоемкость дисциплины.

Семестр 7 . Форма промежуточной аттестации экзамен . Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

3.  Тематический план

Таблица 1.

Тематический план

№	Тема	недели семестра	Виды учебной работы и самостоятельная работа, в час.	Итого часов по теме	Из них в интерактивной форме	Итого количество баллов
Лекции	Семинарские (практические) занятия	Лабораторные занятия	Самостоятельная работа
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	Модуль 1
1.	Свойства пучков	1-4	4	4	12	20	40	4	0-20
2	Матричные методы	5-6	2	8	-	10	20	8	0-10
	Всего	6	6	12	12	30	60	12	0-30
	Модуль 2
1.	Аксиально-симметричные системы	7-8	2	4	4	10	20	4	0-10
2.	Отклоняющие системы	9-10	2	4	4	10	20	4	0-10
3.	Мультипольные линзы	11-12	2	4	4	10	20	4	0-10
	Всего	7-12	6	12	12	30	60	12	0-30
	Модуль 3
1.	Теория аберраций	13-18	6	12	12	30	60	12	0-40
	Всего	13-18	6	12	12	30	60	12	0-40
	Итого (часов, баллов):		18	36	36	90	180	36	0 – 100
	Из них в интерактивной форме			36

Таблица 2.

Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля

№ темы	Устные работы	Письменные работы	Итого количество баллов
Собеседование	Ответ на семинаре	лабораторная работа	контрольная работа	Выполнение домашнего задания
Модуль 1.
1.Свойства пучков	-	0-2	0-12	0-2	0-4	0-20
2.Матричные методы	-	0-4	-	0-4	0-2	0-10
Всего	-	0-6	0-12	0-6	0-6	0-30
Модуль 2.
1. Аксиально-симметричные системы	-	0-2	0-4	0-2	0-2	0-10
2.Отклоняющие системы	-	0-2	0-4	0-2	0-2	0-10
3.Мультипольные линзы	-	0-2	0-4	0-2	0-2	0-10
Всего	-	0-6	0-12	0-6	0-6	0-30
Модуль 3.
1.Теория аберраций	0-10	0-6	0-12	0-6	0-6	0-40
Всего	0-10	0-6	0-12	0-6	0-6	0-40
Итого	0-10	0-18	0-36	0-18	0-18	0 – 100

Таблица 3.

Планирование самостоятельной работы студентов

№	Модули и темы	Виды СРС	Неделя семестра	Объем часов	Кол-во баллов
обязательные	дополнительные
Модуль 1
1.1	Свойства пучков	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	1-4	20	0-4
1.2	Матричные методы	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	5-6	10	0-2
	Всего по модулю 1:	30	0-6
Модуль 2
2.1	Аксиально-симметричные системы	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	7-8	10	0-2
2.2	Отклоняющие системы	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	9-10	10	0-2
2.3	Мультипольные линзы	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	11-12	10	0-2
	Всего по модулю 2:	30	0-6
Модуль 3
3.1	Теория аберраций	1. Работа с учебной литературой. 2. Выполнение домашнего задания 3. Проработка лекций	Доклад-презентация	13-18	30	0-6
	Всего по модулю 3:	30	0-6
	ИТОГО:	90	0-18

4.  Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами

№ п/п	Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин	Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1	2	3	4	5	6
1.	Физико-химические основы процессов микро - и нанотехнологий	+		+	+	+
2.	Методы анализа и контроля наноструктурированных материалов и систем	+		+	+	+

5.  Содержание дисциплины.

Тема 1. Свойства пучков.

Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях на основе представлений классической физики. Гамильтонов формализм. Теорема Лиувилля. Понятия фазового пространства, эмиттанса, аксептанса и яркости пучка. Свойства пучков с конечным эмиттансом.

Тема 2. Матричные методы.

Матричный метод в описании движения пучков заряженных частиц. Матричное представление простейших оптических элементов и систем транспортировки пучков на их основе.

Тема 3. Аксиально-симметричные системы.

Аксиально-симметричные оптические системы. Теорема Буша и уравнение параксиального луча. Принципы работы и конструктивные особенности аксиально-симметричных электростатических и магнитных линз.

Тема 4. Отклоняющие системы.

Магнитные и электростатические отклоняющие устройства. Радиальное и вертикальное движение заряженных частиц в поперечном магнитном поле простой и сложной конфигурации.

Тема 5. Мультипольные линзы.

Магнитные и электростатические мультипольные линзы. Характер движения заряженных частиц в поле мультипольных линз. Комбинации квадрупольных линз (дублет, триплет и квадруплет вращения), используемые для фокусировки пучков ионов.

Тема 6. Теория аберраций.

Основные понятия теории аберраций в корпускулярной оптике. Основные типы геометрических аберраций. Хроматическая аберрация на примере тонкой линзы.

6.  Планы семинарских занятий.

Тема 1. Свойства пучков.

Свойства пучков с конечным эмиттансом (4 часа).

Тема 2. Матричные методы.

Матричное представление дрейфового промежутка и тонкой линзы (2 часа).

Представление общей матрицы второго порядка в виде произведения трех матриц (2 часа).

Физический смысл нулевых матричных элементов (2 часа).

Преобразование кроссовера в кроссовер (2 часа).

Тема 3. Аксиально-симметричные системы.

Электростатические аксиально-симметричные линзы (2 часа).

Магнитные аксиально-симметричные линзы (2 часа).

Тема 4. Отклоняющие системы.

Магнитные отклоняющие устройства (2 часа).

Электростатические отклоняющие устройства (2 часа).

Тема 5. Мультипольные линзы.

Комбинации квадрупольных линз (дублет, триплет и квадруплет вращения), используемые для фокусировки пучков ионов (4 часа).

Тема 6. Теория аберраций.

Сферическая аберрация (4 часа).

Кома (2 часа).

Астигматизм (2 часа).

Дисторсия (2 часа).

Хроматическая аберрация (2 часа).

7.  Темы лабораторных работ (Лабораторный практикум).

Лабораторная работа № 1

Тема: Измерение параметров пучков заряженных частиц: тока и распределения плотности тока по сечению пучка.

Название опыта: измерение тока пучка с помощью цилиндра Фарадея и распределения плотности тока по сечению пучка с помощью многоламельного коллектора.

Объекты изучения: пучок однозарядных ионов аргона.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц, цилиндр Фарадея, многоламельный коллектор.

Лабораторная работа № 2

Тема: Измерение фазовых характеристик пучков заряженных частиц.

Название опыта: измерение эмиттанса пучка и распределения плотности тока ионов в фазовом пространстве.

Объекты изучения: фазовый объем пучка заряженных частиц.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц.

Лабораторная работа № 3

Тема: Измерение энергетических характеристик пучков заряженных частиц.

Название опыта: метод измерения энергии и энергетического спектра по взаимодействию заряда частицы с внешним магнитным полем.

Объекты изучения: магнитный спектрометр.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц.

Лабораторная работа № 4

Тема: Экспериментальные методы изучения распределения поля и моделирование траекторий.

Название опыта: изучение распределения электростатического поля двухэлектродной иммерсионной линзы методом электролитической ванны.

Объекты изучения: метод электролитической ванны по изучению распределения полей электростатических линз.

Необходимый инструментарий: лабораторный стенд по изучению распределения поля аксиально-симметричных электростатических линз.

Лабораторная работа № 5

Тема: Изучение оптической системы электронно-лучевой трубки.

Название опыта: изучение процесса фокусировки и сканирования пучка в электронно-лучевой трубке.

Объекты изучения: электронно-лучевая трубка: устройство и принцип работы.

Необходимый инструментарий: осциллограф с электронно-лучевой трубкой.

Лабораторная работа № 6

Тема: Мультипольная система фокусировки.

Название опыта: методика юстировки квадрупольных линз в симметричном квадруплете вращения.

Объекты изучения: симметричный квадруплет вращения как аналог осесимметричной линзы.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц.

Лабораторная работа № 7

Тема: Определение коэффициента сферической аберрации фокусирующих систем.

Название опыта: определение коэффициента сферической аберрации по диаграмме эмиттанса пучка.

Объекты изучения: аксиально-симметричная электромагнитная фокусирующая система.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц.

Лабораторная работа № 8

Тема: Изучение хроматической аберрации ионно-оптических систем.

Название опыта: определение коэффициента хроматической аберрации методом направлений.

Объекты изучения: магнитная аксиально-симметричная фокусирующая линза.

Необходимый инструментарий: лабораторная установка по измерению параметров пучков заряженных частиц.

Лабораторная работа № 9

Тема: Аберрации систем сканирования пучка заряженных частиц.

Название опыта: исследование аберраций отклонения электростатической системы сканирования пучка.

Объекты изучения: электростатическая двухкоординатная система сканирования пучка электронно-лучевой трубки.

Необходимый инструментарий: электростатическая электронно-лучевая трубка.

8.  Учебно - методическое обеспечение самостоятельной работы студентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины (модуля).

Примерные вопросы на контрольную работу №1

Каким образом, используя матричные методы, отображается теорема Лиувилля.

Примерные задания на контрольную работу №2

1.  Записать матрицу перехода и рассчитать фокусное расстояние и положение главных плоскостей короткой магнитной линзы без магнитопровода. Радиус пучка в исходном кроссовере Расстояние от исходного кроссовера до входа в линзу 30 см. Радиус пучка ионов на входе в линзу Апертура катушки a=5 см. Длина катушки L=3 см. Параметры провода катушки: материал – медь, площадь поперечного сечения S=3,14 мм2. Энергия ионов Е=20 кэВ.

2.  Записать матрицу перехода квадруплета и рассчитать фокусное расстояние и положение главных плоскостей симметричного квадруплета вращения состоящего из 4-х однотипных электромагнитных квадрупольных линз. Для линз квадруплета вращения рассматривается прямоугольная модель распределения осевого поля. Параметры квадрупольных линз и фокусируемых частиц представлены в таблице 8.1., где =0 см - расстояние между соседними средней и крайней линзами, =5 см - расстояние между соседними средними линзами, =20 см - расстояние от исходного кроссовера до входа в первую линзу. Размеры пучка в исходном кроссовере мм. Радиус пучка на входе в первую линзу мм. Апертура d=3 см. Длина L=6 см. Энергия ионов Е=50 кэВ.

3.  Записать матрицу перехода и рассчитать фокусное расстояние секторного отклоняющего магнита с однородным магнитным полем (до 0.3 Тл) и разрешающей способностью 100 для выделения из пучка ионов Bi. В пучке ионов, отбираемого из ионного источника, кроме основной массы, присутствуют ряд паразитных масс, это, прежде всего, ионы плазмообразующего газа Ar+, а также O+, N+. Размеры пучка в исходном кроссовере r0=0.75 мм. Радиус пучка на входе в магнит r1=2.5 мм. Энергия пучка отбираемых ионов – 50 кэВ.

Примерные вопросы на контрольную работу №3

Определить коэффициент хроматической аберраций электростатической иммерсионной линзы используемой для фокусировки пучков протонов с энергией 30 кэВ. Иммерсионная линза состоит из двух одинаковых цилиндров диаметром d=4см и длиной L=5 см, расстояние между цилиндрами S=3мм. Радиус пучка ионов в исходном кроссовере r0=2 мм. Расстояние от исходного кроссовера до входа в линзу 15 см. Радиус пучка на входе в линзу 10 мм. Разброс протонов по энергии в пучке составляет 12 эВ.

Примерные вопросы на экзамен

1.  Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях.

2.  Движение заряженных частиц при скоростях, соизмеримых со скоростью света.

3.  Гамильтонов формализм и теорема Лиувилля. Следствие теоремы Лиувилля.

4.  Эмиттанс, аксептанс и яркость пучка.

5.  Действительные и кажущиеся нарушения теоремы Лиувилля.

6.  Происхождение эллиптического контура эмиттанса пучка.

7.  Профиль нормального пучка в дрейфовом промежутке. Действие тонкой линзы на нормальный пучок.

8.  Прохождение нормального пучка через систему линз дрейфовых промежутков.

9.  Использование матричной алгебры в корпускулярной оптике.

10.  Матричное представление простейших оптических элементов.

11.  Смысл элементов матрицы равных нулю.

12.  Преобразование кроссовера в кроссовер.

13.  Теорема Буша.

14.  Уравнение параксиального луча.

15.  Электростатические аксиально-симметричные линзы.

16.  Тонкая электростатическая линза.

17.  Иммерсионные электростатические линзы.

18.  Одиночные электростатические линзы.

19.  Магнитные аксиально-симметричные линзы.

20.  Радиальное движение в поле отклоняющего магнита.

21.  Вертикальное движение в поле отклоняющего магнита.

22.  Радиальное движение у краев отклоняющего магнита.

23.  Вертикальное движение у краев отклоняющего магнита.

24.  Магниты с однородным полем и нормальным входом и выходом пучка.

25.  Магниты с однородным полем и наклонным профилем на входе и выходе пучка.

26.  Электростатические отклоняющие устройства.

27.  Поле квадрупольной линзы.

28.  Магнитные квадрупольные линзы. Движение в фокусирующей и дефокусирующей плоскостях.

29.  Электростатические квадрупольные линзы.

30.  Комбинации квадрупольных линз: дублет, триплет, квадруплет.

31.  Теория аберраций, основные понятия и аберрации третьего порядка.

32.  Сферическая аберрация.

33.  Кома.

34.  Кривизна изображения и астигматизм.

35.  Дисторсия.

36.  Хроматические аберрации.

9.  Образовательные технологии.

В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Математические методы решения задач механики» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных форм проведения занятий:

·  лекции;

·  практические занятия;

·  работа в малых группах;

·  мастер-классы экспертов.

10.  Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины (модуля).

Основная литература:

1.  Основы электронной оптики.- М.: Мир, 1993.

2.  , Сушков электронные и ионные пучки.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

3.  Электронная и ионная оптика. – М.:Мир, 1990.

4.  Транспортировка пучков зараженных частиц.- М.: Атомиздат, 1969.

Дополнительная литература:

1.  Лоусон Дж. Физика пучков заряженных частиц.- М.: Мир, 1980.

2.  , Явор оптика.- Л.: Наука, 1968.

3.  Оптика пучков высоких энергий.- М.: Мир, 1969.

4.  Явор заряженных частиц квадрупольными линзами.- М.: Атомиздат, 1968.

3. Основы электронной оптики.- М.: Гостехтеориздат, 1957.

Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:

1.  Электронная версия «Журнал Технической Физики» www. *****/jtf.

2.  Электронная версия «Успехи физических наук» www. *****.

3.  Научная электронная библиотека www. *****.

4.  Электронная версия «Journal Nuclear of Science and Technology» www. aesj. or. jp.

5.  Электронная версия «Indian Journal of Science and Тechnology» www. indjst. org.

6.  Cornell University Library http://xxx. lanl. gov.

7.  Journal of International Scientific Publications www. science-journals. eu.

11.  Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).

Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, лаборатория пучково-плазменных технологий.

Дополнения и изменения к рабочей программе на 201 / 201 учебный год

В рабочую программу вносятся следующие изменения:

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Рабочая программа пересмотрена и одобрена на заседании кафедры ____________________ « »_______________201 г.

Заведующий кафедрой ___________________/___________________/

О.