НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра ЭФУ и У
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФТФ
А. К. ДМИТРИЕВ
«_____»_________________ 2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Мощные электронные и ионные пучки
ООП по направлению 010700 Физика
Курс 6 семестр 3 (11)
Лекции 17
Практические занятия
Индивидуальные занятия 34
Самостоятельная работа 86 часов
Экзамен
Зачет 11
Всего 137 часов.
Новосибирск, 2006
Рабочая программа составлена на основании Государственного
образовательного стандарта высшего профессионального образования
по направлению 010700 (510400) Физика
Регистрационный номер № 000 ен/маг, дата утверждения ГОС – 17.03.2000 г.
Шифр дисциплины в ГОС – ДНМ.07
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ЭФУ и У
27 сентября 2006 года
Программу разработали:
Д. ф.-м. н., профессор ___________
Доцент ___________
Заведующий кафедрой
д. ф.-м. н., профессор ___________
Ответственный за основную
образовательную программу: д. ф-м. н, проф.
1.Общая характеристика направления 010700 Физика
1.1 Направление 010700 Физика утверждено приказом Министерства образования Российской Федерации от 02. 03. 2000 № 000.
1.2 Степень выпускника - магистр физики.
Нормативный срок освоения основной образовательной программы подготовки магистра физики по направлению 010700 Физика при очной форме обучения - 6 лет. Основная образовательная программа подготовки магистра состоит из программы подготовки бакалавра по соответствующему направлению (4 года) и специализированной подготовки магистра (2 года).
1.3 Квалификационная характеристика выпускника.
Деятельность магистра физики направлена на исследование и изучение структуры и свойств природы на различных уровнях ее организации от элементарных частиц до Вселенной, полей и явлений, лежащих в основе физики, на освоение новых методов исследований основных закономерностей природы.
Магистр физики подготовлен к деятельности, требующей углубленной
фундаментальной и профессиональной подготовки, в том числе к научно-
исследовательской работе, а при условии освоения дополнительной образовательной
программы педагогического профиля - к педагогической деятельности.
Виды профессиональной деятельности магистра:
• научно-исследовательская: экспериментальная, теоретическая и расчетная;
• педагогическая.
•
Магистр подготовлен к научно-исследовательской (экспериментальной, теоретической и расчетной) деятельности:
• научные исследования поставленных проблем;
• формулировка новых задач, возникающих в ходе научных исследований;
• разработка новых методов исследований;
• выбор необходимых методов исследования;
• освоение новых методов научных исследований;
• освоение новых теорий и моделей;
• обработка полученных результатов научных исследований на современном
уровне и их анализ;
• работа с научной литературой с использованием новых информационных
технологий, слежение за научной периодикой;
• написание и оформление научных статей;
• составление отчетов и докладов о научно-исследовательской работе, участие в
научных конференциях.
ВЫДЕРЖКИ ИЗ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
7. Требования к уровню подготовки магистра физики по направлению 010700 физика
7.1 Требования к профессиональной подготовленности магистра физики
7.1.1 Общие требования к уровню подготовки магистра физики определяются содержанием аналогичного раздела требований к уровню подготовки бакалавра физики и требованиями, обусловленными специализированной подготовкой магистра физики. Требования к уровню подготовки бакалавра физики изложены в
п. 7 государственного образовательного стандарта высшего профессионального
образования бакалавра физики по направлению 010700 Физика.
7.1.2 Требования, обусловленные специализированной подготовкой магистра
физики, включают:
- владение навыками самостоятельной научно-исследовательской и научно-
педагогической деятельности, требующими широкого образования в
соответствующем направлении;
- умения:
- формулировать и решать задачи, возникающие в ходе научно-исследовательской
и педагогической деятельности и требующие углубленных профессиональных знаний;
- выбирать необходимые методы исследования, модифицировать существующие и
разрабатывать новые методы исходя из задач конкретного исследования;
- обрабатывать полученные результаты, анализировать и осмысливать их с учетом
имеющихся литературных данных; вести библиографическую работу с привлечением
современных информационных технологий;
- представлять итоги проделанной работы в виде отчетов, рефератов, статей, оформленных в соответствии с имеющимися требованиями, с привлечением современных средств редактирования и печати.
Выпускник должен уметь решать задачи, соответствующие его степени, указанной в п. 1.2 настоящего государственного образовательного стандарта, которая с учетом итоговой государственной аттестации обеспечивает выполнение должностных обязанностей в соответствии с квалификационной характеристикой, изложенной в п.1.3.
Магистр физики должен знать и уметь использовать в объеме, предусмотренным настоящем стандартом, по общим гуманитарным и социально-экономическим, математическим, естественнонаучным и общепрофессиональным дисциплинам, дисциплинам специальностей и специализаций:
- основные учения в области гуманитарных и социально-экономических наук,
основные понятия, законы и модели механики, молекулярной физики, электричества и
магнетизма, оптики, атомной физики, физики атомного ядра и частиц, колебаний и
волн, квантовой механики, термодинамики и статистической физики, методы
теоретических и экспериментальных исследований в физике;
- современное состояние, теоретические работы и результаты экспериментов в
избранной области исследований, явления и методы исследований в объеме дисциплин
специализаций;
- фундаментальные явления и эффекты в области физики, экспериментальные,
теоретические и компьютерные методы исследований в этой области;
- математический анализ, теорию функций комплексной переменной,
аналитическую геометрию, векторный и тензорный анализ, дифференциальные и
интегральные уравнения, вариационное исчисление, теорию вероятностей и
математическую статистику;
- основные положения теории информации, принципы построения систем обработки и передачи информации, основы подхода к анализу информационных процессов, современные аппаратные и программные средства вычислительной техники, принципы организации информационных систем, современные информационные технологии;
- основы экологии и здоровья человека, структуру экосистем и биосферы,
взаимодействие человека и среды, экологические принципы охраны природы и
рационального природопользования.
7.1.3 Специальные требования.
Требования к подготовке магистранта по научно-исследовательской части программы специализированной подготовки, в основном, определяются вузом. Дополнительно рекомендуются требования, которые обеспечивают выпускнику возможность заниматься профессиональной деятельностью, отражающей содержание специализированной подготовки.
7.1.4 Требования, связанные с освоением дополнительной квалификации, изложены
в Государственном образовательном стандарте соответствующей квалификации.
2. Специфика курса.
Данный курс реализуется в рамках обучения по направлению 010700 Физика. Курс относится к разделу «Дисциплины направления, устанавливаемые вузом по выбору студентов.
Цели и задачи курса.
Дисциплина «Мощные электронные и ионные пучки» предназначена для обучения студентов-физиков теоретическим и экспериментальным основам физики мощных электронных и ионных пучков.
Основной целью освоения дисциплины является ознакомление с принципами генерации и транспортировки мощных пучков заряженных частиц, устройствами для их реализации и теоретическими моделями для описания процессов, происходящих во время генерации и транспортировки.
Для достижения поставленной цели выделяются задачи курса:
1. Изучение основ создания мощных импульсных накопителей энергии для питания устройств, генерирующих мощные пучки заряженных частиц.
2 .Ознакомление с физическими принципами работы устройств, используемых для генерации и транспортировки мощных электронных и ионных пучков.
3. Изучение основных способов измерения параметров пучков.
4. Ознакомление с основными применениями мощных пучков в технике и научных исследованиях.
5. Обучение базовым методам, используемым при анализе вопросов равновесия и устойчивости пучков при транспортировке их в вакууме и плазме.
Требования к уровню освоения содержания курса (дисциплины).
По окончании изучения указанной дисциплины студент должен:
– иметь представление об основных принципах работы различного рода накопителей энергии и ускорителей пучков заряженных частиц, о способах измерения параметров пучков и применениях мощных пучков для генерации излучения СВЧ и рентгеновского диапазонов, а также о проблемах использования мощных пучков для нагрева плазмы и мишеней применительно к решению проблемы УТС,
– знать основные типы равновесных конфигураций пучков при транспортировке, а также неустойчивости, которые могут в них развиваться,
– уметь произвести анализ равновесия и устойчивости различных несложных конфигураций пучка.
Формы контроля.
Итоговый контроль. Для контроля усвоения дисциплины учебным планом предусмотрен зачет.
Текущий контроль. В течение семестра проводятся 2 коллоквиума, призванных выявить качество индивидуального освоения материала лекций студентами. Результаты этих опросов влияют на итоговую оценку за экзамен.
3. Содержание дисциплины.
В курсе излагается устоявшийся и прошедший проверку временем материал, знание которого необходимо как для теоретиков, так и для экспериментаторов, работающих в области физики мощных электронных и ионных пучков, а также физики плазмы.
Тематический план курса (распределение часов).
Наименование разделов и тем | ||
Часов на изучение |
| |
Основы создания мощных импульсных накопителей энергии | 12 |
|
Физические принципы устройств для генерации и транспортировки мощных пучков заряженных частиц | 12 |
|
Применение мощных пучков | 10 |
|
Итого по курсу: | 34 |
|
Содержание отдельных разделов и тем.
1. Требования к пучкам, исходя из их применений.
2. Ускорители прямого действия.
3. Индукционные ускорители.
4. Ускорительные диоды для генерации сильноточных релятивистских электронных пучков.
5. Диагностика сильноточных РЭП.
6. Транспортировка сильноточных импульсных РЭП в вакууме и плазме.
7. Примеры конкретных применений сильноточных РЭП.
8. Генерация ионных пучков.
9. Транспортировка и применения ионных пучков.
4. Литература.
Список основной и дополнительной литературы
1. , С., , Рухлин сильноточных релятивистских электронных пучков. Под ред. проф. А. А Рухадзе. М.: Атомиздат, 1980.
2. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. Под редакцией проф. . М.: Энергоатомиздат, 1990.
3. , П., Усов электронные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977.
4. , Аиацкий индукционные ускорители. М.: Атомиздат, 1978.
5. Быстрицкий В M., Диденко ионные пучки. М.: Энергоиздат, 1984.
6. Физика и техника мощных импульсных систем. Сб. статей под ред. академика . М.: Энергоатомиздат, 1987.
7. Релятивистская высокочастотная электроника. Сб. статей. Выпуск 2, Горький. 1981.
8. Proceedings of the 3rd International Topical Conference on High Power Electron and Ion Beam Research and Technology. Novosibirsk, 1979.
9. Proceeding of the 8th International Conference on High Power Particle Beams Novosibirsk, 1990.
10. Humphries S Jr. Intense Pulsed Ion Beams for Fusion Applications. Nuclear Fusion, 20, 1980.
11. , Капетанакос мощных импульсных ионных пучков. Приборы для научных исследований №4, 1977, с. 54; и №6, 1978, с 200.
12. Синицкий и транспортировка микросекундных ленточных РЭП с энергозапасом до 50кДж. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. Новосибирск, 1992.
13.Д. Дюдерштадт, Г. Мозес. Инерциальный термоядерный синтез. Москва. Энергоатомиздат, 1984.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Примеры контрольных вопросов
1. Преимущества и недостатки одиночной и двойной формирующих линий.
2. Почему электронные пучки не используются в настоящее время для нагрева мишеней применительно к решению проблемы УТС.?
3. Чем отличаются неустойчивости Пирса и Будкера - Бунемана?
Вопросы для подготовки к экзамену
1. Емкостные накопители. Генераторы импульсного напряжения (ГИНы) по схеме Аркадьева-Маркса и Фитча.
2. Магнитные накопители. Генераторы импульсных токов (ГИТы) и сильноточные размыкатели.
3. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Вакуумный предел по собственному объемному заряду для круглого и ленточного пучков.
4. Формирующие линии (ФЛ). Зарядка одинарных ФЛ от ГИНов и ГИТов.
5. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Равновесные конфигурации круглых релятивистских пучков.
6. Трансформаторная схема зарядки формирующих линий.
7. Транспортировка мощных ионных пучков. Нагрев малых мишеней применительно к проблеме УТС.
8. Плоский и ножевой электронные ускорительные диоды в сильном магнитном поле.
9. Электронные диоды с магнитной изоляцией катод-анодного промежутка.
10. Пирсовская неустойчивость.
11. Диоды с магнитной самофокусировкой электронного пучка.
12. Неустойчивость Будкера -Бунемана.
13. Принцип работы индукционного ускорителя электронов.
14. Пример конкретных применений сильноточных РЭП. Нагрев плазмы в длинном соленоиде.
15. Угловой и энергетический разброс электронов в фольговом и магнитно-изолированном диодах в условиях сильного магнитного поля.
16. Электронный диод в умеренных магнитных полях.
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Экзаменационные билеты по курсу
"Мощные электронные и ионные пучки".
БИЛЕТ N 1
1. Емкостные накопители. Генераторы импульсного напряжения (ГИНы) по схеме Аркадьева-Маркса и Фитча.
2. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Вакуумный предел по собственному объемному заряду для круглого и ленточного пучков.
БИЛЕТ N 2
1. Магнитные накопители. Генераторы импульсных токов (ГИТы) и сильноточные размыкатели.
2. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Токи Альфвена и Лоусона.
БИЛЕТ N 3
1. Формирующие линии (ФЛ). Зарядка одинарных ФЛ от ГИНов и ГИТов.
2. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Равновесные конфигурации круглых релятивистских пучков.
БИЛЕТ N 4
1. Трансформаторная схема зарядки формирующих линий.
2. Транспортировка сильноточных РЭП в вакууме. Равновесные конфигурации ленточных пучков и их устойчивость к мелкомасштабным колебаниям.
БИЛЕТ N 5
1. Плоский и ножевой электронные ускорительные диоды в сильном магнитном поле.
2. Транспортировка мощных ионных пучков. Нагрев малых мишеней применительно к проблеме УТС.
БИЛЕТ N 6
1. Электронные диоды с магнитной изоляцией катод-анодного промежутка.
2. Пирсовская неустойчивость.
БИЛЕТ N 7
1. Диоды с магнитной самофокусировкой электронного пучка.
2. Неустойчивость Будкера - Бунемана.
БИЛЕТ N 8
1. Принцип работы индукционного ускорителя электронов.
2. Пример конкретных применений сильноточных РЭП. Нагрев плазмы в длинном соленоиде.
БИЛЕТ N 9
1. Угловой и энергетический разброс электронов в фольговом и магнитно-изолированном диодах в условиях сильного магнитного поля.
2. Оптимизация ДФЛ по различным критериям.
БИЛЕТ N 10
1. Электронный диод в умеренных магнитных полях.
2. Диагностика углового и энергетического разбросов сильноточных электронных пучков.
БИЛЕТ N 11
1. Ионные диоды с изоляцией внешним магнитным полем.
2. Регистрация мегавольтного напряжения. Калориметрия электронного пучка.
БИЛЕТ N 12
1. Датчики полного тока пучка. Измерения локальной плотности тока.
2. Двойные формирующие линии. Зарядка ДФЛ от ГИНов.
БИЛЕТ N 13
1. Газодинамический метод генерации ионных потоков.
2. Диагностика мощных ионных пучков.
