Рабочая программа учебной дисциплины Конструирование электрофизических установок и ускорителей ООП по направлению 010700 Физика ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ НГТУ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физико-технический факультет

Кафедра  ЭФУ и У 

УТВЕРЖДАЮ 

  Декан  ФТФ

  ________________  А. К. ДМИТРИЕВ

«_____»_________________ 2006 г.

РАБОЧАЯ  ПРОГРАММА учебной дисциплины

Конструирование электрофизических установок и ускорителей

ООП по направлению  010700 Физика

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ НГТУ

Курс 4 семестр 7,8

Лекции 68

Практические занятия 17

Контрольные работы: 7,8

Курсовой проект  8

Самостоятельная работа  40 час.

Экзамен:

Зачет: 7,8

Всего  125  часов.

Новосибирск, 2006

Рабочая программа составлена на основании Государственного

образовательного стандарта высшего профессионального образования

по направлению  010700 (510400)  Физика

Регистрационный номер № 000 ен/бак, дата утверждения ГОС – 17.03.2000 г.

Шифр дисциплины в ГОС – СД.00

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ЭФУ и У

27 сентября 2006 года

Программу разработали:

к. т. н., доцент  ___________

Заведующий кафедрой,

д. ф.-м. н., профессор  ___________

Ответственный за основную

образовательную программу:  д. ф-м. н, проф.

1 .  Внешние требования

ВЫДЕРЖКИ ИЗ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО СТАНДАРТА ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

7. Требования к уровню подготовки выпускника по направлению 010700 Физика

7.1 Требования к профессиональной подготовленности бакалавра

Бакалавр должен знать и уметь использовать в объеме, предусмотренном 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.

Дополнительные  требования  к  специальной  подготовке  специалиста  физика определяются высшим учебным заведением с учетом специализации.

2. Особенности курса

Успешное проведение любого физического, химического и других экспериментов требует наличие того или иного экспериментального оборудования. Как правило, серьёзный эксперимент не может быть выполнен с использованием только стандартных, выпускаемых промышленностью приборов и устройств. Ученым, совместно с инженерами, всегда приходится создавать оригинальные приборы и устройства, максимально отвечающие условиям задуманного эксперимента. Задачи, которые ставит перед учеными современная наука, весьма сложны и требуют для своего решения сложного, тонкого и точного инструмента. Создание такого сложного исследовательского оборудования требует от экспериментатора понимания возникающих технических проблем и владения инженерными методами их решения.

Основная цель курса заключается в овладении студентами практическими методами расчета и проектирования различных типов электрофизических установок и ускорителей, и их элементов. Курс создает базу для дальнейшего и углубленного изучения специальных дисциплин и успешной последующей деятельности в качестве инженера-физика. Будущие специалисты должны уметь произвести основные проектные расчеты по вакуумным системам электрофизических установок, уметь оценивать и определять тепловыделение, силовые нагрузки от воздействия магнитных полей и потоков, знать основные материалы и технологические процессы, применяемые для разработки электрофизических установок.

Для успешного изучения курса, студенту необходимо знать высшую математику (дифференциальное и интегральное исчисления, дифференциальные уравнения, векторную алгебру), механику (движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях), техническую механику (основы сопротивления материалов), введение в технологию металлов и металлообработку, материаловедение, а также основы компьютерной техники.

3. Цели и структура курса

Согласно государственному образовательному стандарту (ГОС), выпускник (бакалавр) должен уметь решать задачи, соответствующие его степени, которая обеспечивает выполнение им должностных обязанностей в соответствии с квалификационными характеристиками, приведенными в ГОС.

Применительно к настоящему курсу, студент должен знать:

определения физических величин и единиц их измерения; методы измерения основных физических величин; основы вакуумной техники; основы теплопередачи; современное состояние в области ускорительной физики и техники, типы ускорителей заряженных частиц, их особенности, устройство и применение; основные типы установок для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза.

Студент должен уметь:

выделить основные технические проблемы, связанные с созданием оборудования, необходимого для эксперимента; правильно провести конструкторский расчет установки с определением условий, в которых будут работать её детали; оценить влияние этих условий на работоспособность устройства; обоснованно выбрать материалы для деталей установки; рассчитать вакуумные условия, спроектировать разъемные и неразъемные вакуумноплотные соединения, вводы в вакуум; находить реальные источники тепла в конструкции и оценить количество выделяющегося тепла; рассчитать процесс теплоотвода, чтобы по результатам этого расчета обеспечить рабочие температуры деталей устройства на допустимом уровне; рассчитать и спроектировать основные магнитные элементы ускорителей и электроннооптических каналов для заданного угла поворота, апертуры и энергии частиц.

Структура курса

Модуль 1

Вакуумная техника, тепловые нагрузки в конструкциях электрофизических установок (семестр 7)

Модуль 1 Вакуумная техника, тепловые нагрузки в конструкциях электрофизических установок
Основы вакуумной техники.	Учет тепловых нагрузок при проектировании.
Вакуумные насосы, основное уравнение вакуумной техники, суммарный газовый поток, дифференциальная откачка, основные материалы.	Источники выделения тепла в электрофизических установках.
Неразъемные и разъемные вакуумноплотные соединения, вводы в вакуум.	Теплоотвод и распределение температур.

Модуль 2

Проектирование электромагнитных устройств (семестр 8)

Модуль 2 Проектирование электромагнитных устройств
Ферромагнитные материалы.	Силовое действие магнитного поля.
Общие вопросы проектирования.
Ускорители и накопители заряженных частиц.	Установки для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза.

Содержание курса

Наименование тем, содержание, объем в часах лекционных занятий.

Предмет и содержание курса. Структура современных электрофизических установок. Основные инженерные, технические и технологические проблемы. 1 час Основы вакуумной техники. Основные понятия и определения, процесс откачки. Вакуумные насосы: адсорбционные, механические, диффузионные, магниторазрядные, сублимационные, турбомолекулярные и криогенные. Вакуумные ловушки. 5 часов Скорость откачки объекта. Проводимость и режимы течения разреженного газа. Основное уравнение вакуумной техники. 3 часа Основные материалы, применяемые в вакуумной технике (стали, цветные металлы и их сплавы, тугоплавкие металлы, спецсплавы, стекло, керамика, прочие неметаллические материалы). 3 часа Поток газа в откачиваемом объеме. Газоотделение, газопроницаемость и натекание через неплотности и соединения. Суммарный газовый поток. Дифференциальная откачка. 4 часа Неразъемные вакуумноплотные соединения. Вакуумноплотная сварка металлов. Вакуумноплотная пайка металлов. Вакуумноплотные соединения металлов с керамикой. Вакуумноплотные металлостеклянные спаи. 4 часа Разъемные вакуумноплотные соединения. Соединения с резиновыми уплотнителями. Соединения с индиевыми уплотнителями. Соединения с алюминиевыми и медными уплотнителями. Уплотнения для соединений диаметром свыше 1500 мм. 4 часа Вводы в вакуум. Вводы движения в вакуум: вводы с неметаллическими уплотнителями, вводы с металлическими разделителями. Электрические вакуумные вводы. 4 часа Тепловыделение в электрофизических установках. Источники выделения тепла: прохождение по деталям электрического тока, излучение со стороны какого-то нагретого тела, бомбардировка заряженными частицами. 3 часа Теплоотвод и распределение температур. Теплопроводность: теплопроводность плоской стенки, теплопроводность цилиндрической стенки, контактная теплопроводность. Конвективный теплообмен: закон Ньютона, режимы течения жидкости и газа, теория подобия и конвективный теплообмен. Тепловое излучение: потоки излучения, теплообмен излучением между телами, тепловые экраны. Нестационарные процессы: время выхода на режим, установившийся режим при импульсном нагреве. 7 часов Общие вопросы проектирования электромагнитных устройств. Основные свойства ферромагнитных материалов; магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Кривая намагничивания. 3 часа Силовое действие магнитного поля. Тяговые электромагниты: клапанные и прямоходовые. 3 часа Классификация ускорителей заряженных частиц, назначение, основные тенденции развития. Устойчивость движения частиц в ускорителях, показатель спада магнитного поля. Принцип мягкой и сильной фокусировки. 4 часа Основные магнитные элементы ускорителей (накопителей) заряженных частиц и электроннооптических каналов. Поворотные магниты, корректоры, осесимметричные магнитные линзы, квадрупольные линзы, линзы Пановского, секступольные и октупольные линзы и т. п. 6 часов Синхротроны. Принцип действия, выбор параметров, конструктивные особенности основных систем, магнитная и вакуумная системы, ускорительная система, особенности выпуска и впуска, вспомогательные устройства. Современные тенденции в конструкциях синхротронов. 3 часа Накопители заряженных частиц. Назначение и классификация. Принципиальные особенности магнитной, вакуумной и высокочастотной систем накопителей. Конструкции накопителей ВЭПП-2, ВЭПП-2М, ВЭПП-3, ВЭПП-4. Накопители электронов специализированные источники синхротронного излучения. 3 часа Конструкции циклических ускорителей. Циклотрон. Принцип действия, особенности конструкции, основные системы. Микротрон: основные системы и соотношения, темп ускорения. Особенности конструкции многодорожечных разрезных микротронов. Бетатроны: конструктивные особенности и область применения. Варианты конструкции. 4 часа Электрофизические установки для проведения исследований в области управляемого термоядерного синтеза ( УТС ). Магнитные ловушки открытого типа. Замкнутые магнитные ловушки. 3 часа Плазменные установки ИЯФ. Ловушки с вращающейся плазмой (ПСП), амбиполярные адиабатические ловушки (АМБАЛ), многопробочные ловушки и газодинамическая ловушка ( ГДЛ ). Особенности конструкции и расчетов. 5часов

4. Курсовой проект

Цель курсового проекта - развитие конкретных навыков по разработке и практическому конструированию отдельных узлов электрофизического оборудования, углубленное изучение отдельных вопросов теории и методов расчета элек­тромагнитных и вакуумных систем, тепловыделение и теплопередачи.

Вариант задания на курсовой проект предусматривает расчет и разработку конструкции конкретного прибора или узла крупной электрофизической установки.

Примерная тематика курсовых проектов.

1. Разработать импульсный поворотный магнит для заданного угла поворота, апертуры, энергии частиц и параметров системы питания.

То же для поворотного магнита с постоянным полем. Разработать двухполостный корректор для коррекции орбиты электронного пучка по углу для заданной энергии частиц, величины коррекции и параметров системы питания. Разработать конструкцию импульсной железно-безжелезной квадрупольной линзы для заданной энергии электронного пучка, фокусного расстояния и параметров системы. То же для квадрупольной линзы с постоянным полем. Разработать лабораторный вакуумный объем с заданными характеристиками (размер, вид вакуума, типы и число вводов). Разработать конструкцию вакуумного шибера (прогревного или непрогревного) на заданное Д/у. Разработать конструкцию элемента канала для вывода СИ с электромагнитным приводом (радиационная заглушка, негерметичная заслонка, люминофорный датчик положения пучка)  с заданной апертурой. Разработать конструкцию высоковольтного автоземлителя с электромагнитным удержанием на заданное напряжение и заданное число землящих контактов.

Допускается оформлять задание на курсовой проект на базе конкретной работы данного студента в лабораториях ИЯФ, с согласованием конкретной темы и ее объема с преподавателем курса.

Объем самостоятельной работы - 35 часов.

Пояснительная записка к курсовому проекту должна составлять 10-15 стандартных страниц, графическая часть - 2 листа чертежей, содержащих изображение общего вида, разработанного узла и рабочие чертежи трех деталей по указанию преподавателя, выполненные в соответствии с требованиями ЕСКД.

Пояснительная записка должна содержать следующие разделы:

Введение, в котором изложено задание, общие сведения об особенностях работы данного узла или прибора, и намечен общий подход к типу данной конструкции. Необходимые расчеты по тепловыделениям и методам теплосъема вакуумной проводимости, и способам откачки, расчеты сечений магнитопроводов, прочностные расчеты, расчеты силовых или грузоподъемных элементов в конструкции и т. п.( в зависимости от конкретного задания). Краткое описание разработанной конструкции и её особенностей. Заключение, где подводится итог проделанной работы.

5. Список литературы.

Основная литература.

" Технология изготовления вакуумной аппаратуры". "Энергия", М. 1974 г.

2.  , "Основы теплопередачи", "Энергия", М. 1973 г.

"Теория и расчет электрических аппаратов", "Энергия", М. 1970 г.

4.  "Основы ускорительной техники", "Энергия", М. 1975 г.

Ливингут Дж. "Принципы работы циклических ускорителей", Издательство иностранной литературы, М. 1963.

Дополнительная литература.

"Научные основы вакуумной техники", Издательство иностранной литературы, М. 1964 г. "Электромеханические реле", Издательство ХГУ, г. Харьков, 1956 г. "Справочник по вакуумной технике и технологии", Энергия", М. 1972 г. Лукьянов СЮ. "Горячая плазма и управляемый ядерный синтез", Наука, 1975 г.

Методические материалы.

Образцы материалов и элементов конструкций к темам; 1.4, 1.6, 1.7, 1.8. Чертежи узлов установок и фотографии к темам; 1.14, 1.15, 1.16, 1.19. Демонстрация реальных установок к темам; 1.14, 1.16, 1.19.

Методическая литература.

"Вакуумные элементы электрофизических установок", Рекомендации для конструкторов ИЯФ СО АН СССР. Составитель: "Учет тепловых нагрузок при конструировании", Рекомендации для конструкторов ИЯФ СО АН СССР. Составитель: 3. "Конструирование электромагнитных устройств", Препринт ИЯФ СО РАН 91-58, Составители: 3. ,Трахтенберг Б. 3. "Основы проектирования экспериментальных физических установок. Учебное пособие. Новосибирский университет, г. Новосибирск, 1993. 157 стр.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Контроль качества подготовки студентов, примеры экзаменационных вопросов.

Качество подготовки студентов контролируется проведением, в конце каждого семестра, зачета по прослушанному материалу, выполнением в 8 семестре курсового проекта.

Вопросы экзаменационных билетов.

1. Основные источники тепловыделения в деталях электрофизических конструкций.

2. Теплоотвод и его виды: теплопроводность.

3. Конвективный теплообмен: теплоотдача при движении жидкости или газа в трубках, коэффициент теплоотдачи.

4. Теплопередача излучением, влияние экранов.

5. Нестационарные процессы: зависимость температуры от времени при нагревании и охлаждении тел, время " выхода на режим ".

6. Виды вакуума и способы его получения, основные типы вакуумных насосов.

7. Проводимость трубопровода, основное уравнение вакуумной техники.

8. Расчет скорости откачки объекта.

9. Конвективный теплообмен: естественная конвекция.

10. Дифференциальная откачка: уравнение системы дифференциальной откачки.

11.Газоотделение и газопроницаемость в вакуумной технике.

12.Основные материалы, применяемые в вакуумной технике.

13.Низкотемпературная и высокотемпературная пайка в вакуумной технике.

14.Аргонодуговая сварка; особенности процесса и технологическая подготовка деталей.

15.Вакуумноплотные соединения металлов с керамикой.

16.Стыковые уплотнения с уплотнителями из резины и пластических материалов.

17.Стыковые уплотнения с металлическими уплотнителями для прогревных систем.

18.Вводы движения в вакуум с неметаллическими уплотнителями.

19.Вводы движения в вакуум с металлическими разделителями.

20.Электрические вакуумные вводы.

21.Магнитотвердые и магнитомягкие материалы: их классификация и технологические особенности.

22.Тяговые электромагниты: расчет тягового усилия и сечения магнитопровода.

23.Квадрупольные линзы: понятие градиента поля, основные конструктивные схемы.

24.Микротрон: принцип действия, основные соотношения, особенности конструкции. Разрезной микротрон.

25.Бетатрон: принцип действия, основные системы, правило 2:1, особенности конструкции.

26.Синхротрон: принцип действия, главные системы, особенности конструкции.

27.Поворотные магниты в электрофизических установках.

28.Особенности конструкции и технологии сильнополевых соленоидов на примере установки ПСП-2.

29.Накопители заряженных частиц: основные инженерные проблемы при их создании.

30.Циклотрон: принцип действия, основные системы. Особенности вакуумной и ВЧ систем.