НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра ЭФУ и У
УТВЕРЖДАЮ
Декан ФТФ
________________ А. К. ДМИТРИЕВ
«_____»_________________ 2006 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА учебной дисциплины
Физика плазмы
ООП по направлению 010700 Физика
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ НГТУ
Курс 4 семестр 7
Лекции 34
Практические занятия 17
Контрольные работы: 5
Самостоятельная работа 20 часов
РГР 5
Экзамен: 7
Всего 71 час
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 – ГСЭ. Ф.01
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры ЭФУ и У
27 сентября 2006 года
Программу разработали:
д. ф.-м. н., профессор ___________
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 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.
Особенности курса
Введение. Курс “Физика плазмы” читается как общепрофессиональная дисциплина федерального компонента. Большинство элементов курса “Физика плазмы” включает в себя вопросы и разделы общепрофессионального курса “ Теоретическая физика” с практическим применением к проблемам и задачам плазменной физики.
Актуальность курса. Актуальность курса “Физика плазмы” определяется той ролью и местом, которые занимают в настоящее время системы основанные на использовании плазменных процессов в самых различных областях современной фундаментальной физики, в современной технике и сфере технологических применений.
С другой стороны, физика плазмы как фундаментальная дисциплина является существенным разделом курса “Теоретическая физика”, целый ряд разделов которой довольно глубоко пересекаются с курсом “Физика плазмы”; это целый ряд разделов статистической физики, физической кинетики, теории поля, гидродинамики.
Наиболее существенное развитие в области физики плазмы достигнуто за последнее время в исследованиях связанных с проблемой управляемого термоядерного синтеза. Созданы системы близкие по параметрам к реальному термоядерному реактору. Развитие знергетики будущего неизбежно будет связано с решением этой проблемы. Существенные достижения получены при создании современных технологических установок с использованием плазменных технологий.
Для хорошего понимания процессов, происходящих в плазменных установках, необходимо глубокое знание как многих разделов современной теоретической физики, так и целого ряда прикладных разделов физики.
Основная цель курса для студента заключается, прежде всего, в овладении основами теории плазмы и изучении явлений, связанных с поведением плазмы в различных типах плазменных систем. Кроме того, студент должен овладеть практическими методами расчетов и оценок параметров различных плазменных систем с использованием с использованием современных математических методов и вычислительных систем
Цель курса состоит также в том, чтобы ознакомить студента с современными плазменными установками и элементами их конструкции. Курс знакомит студентов не только с практическим применением тех теоретических базисных знаний по математике и физике, которые они приобрели ранее, но также позволяет получить представление о самых последних достижениях в постановке и проведении сложных физических экспериментов, а также, в научно-технологической сфере (криогеника, высоковольтная техника, компьютерные системы управления и т. д.).
Основу курса, необходимую для понимания большинства явлений, связанных с поведением и свойствами плазмы, составляют 3 раздела этого курса:
1. Теория движения заряженных частиц в магнитном и электрическом полях, включая теорию дрейфового движения и теорию адиабатических инвариантов.
2. Макроскопические свойства плазмы – включая такие понятия, как обобщенный закон Ома для плазмы и кулоновские столкновения в плазме.
3. Теория плазменных колебаний – включая особенности колебаний в холодной и горячей плазме.
Для успешного изучения курса студенту необходимо знать : электродинамику, теорию колебаний, основы механики Гамильтона, статистической физики, квантовой механики, теории атомного ядра.
Оценка знаний и умений студента проводится с помощью итогового экзамена, который включает в себя 35 вопросов по основным разделам курса. Теоретические вопросы сопровождаются задачами по расчету и оценке различных проблем, относящихся к физике плазмы.
3. Цели курса
Целью курса “Физика плазмы” является обучение студентов специальности 070400 основам физики высокотемпературной плазмы, а также основам разработки электрофизических установок, предназначенных для работы с плазмой или с ее использованием в технологических целях.
Одновременно с изложением основ теории физики плазмы цель курса состоит также в том, чтобы дать студентам понятие о тех практических шагах, которые им придется делать при разработке и создании реальных плазменных установок, начиная с постановки задачи, оценки основных проектных данных элементов и систем, и кончая расчетом основных характеристик установки.
Достижение основной цели курса методологически делится на ряд логически взаимосвязанных этапов (блоков), которые составляют основу курса и кратко описаны в Таблице 3.1.
Таблица 3.1. Основные разделы программы курса
1 | Проблема управляемого термоядерного синтеза. Ресурсы химического, ядерного и термоядерного топлива на Земле. Долговременные перспективы энергетики. |
2 | Реакции синтеза легких ядер. Сечения и энергетический выход реакций. Физические выводы и технологические требования, вытекающие из этих параметров реакций. |
3 | Атомарные процессы в плазме. Роль поверхностных явлений в плазменных установках. |
4 | Движение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Дрейфовое движение. Адиабатические инварианты в магнитных ловушках. |
5 | Основные системы удержания заряженных частиц в магнитных полях. Открытые и замкнутые магнитные ловушки; их модификации (“Токамак”, “Стелларатор”, “Пробкотрон”). |
6 | Макроскопические свойства плазмы. Дебаевское экранирование; квази-нейтральность плазмы; проводимость плазмы; кулоновские столкновения. |
7 | Колебания и волны в холодной плазме. Условия распространения волн при наличии магнитного поля. Магнитный “звук”. |
8 | Колебания и волны в горячей плазме. Плазменные волны и ионно-звуковые колебания. |
9 | Физическая кинетика плазмы. Функция распределения и фазовое пространство. Уравнение Фоккера-Планка. Уравнение Власова. Самосогласованные поля. |
По мере прохождения курса студент овладевает следующими практическими навыками (Таблица 3.2).
Таблица 3.2 Практические навыки, получаемые студентом.
1 | Расчет элементарных процессов в плазме, понятие сечения, пробега и средней энергии частицы. |
2 | Расчет реакций синтеза легких ядер. Эквивалентность различных видов топлива: ядерного, термоядерного и химического. |
3 | Оценка роли поверхностных явлений в плазме; их влияние на процесс удержания плазмы в магнитной ловушке. |
4 | Расчет движения заряженных частиц в различных типах магнитных ловушек и магнитных системах. Расчеты, связанные с различными видами дрейфового движения в этих системах. |
5 | Расчет удержания плазмы в магнитных ловушках ( в классическом приближении) с учетом эффектов поляризации плазмы. |
6 | Оценка макроскопических параметров плазмы. Проводимость “плотной” плазмы в магнитном поле при различных параметрах плазмы и условиях эксперимента. |
7 | Решение простейших задач связанных с колебательными и волновыми свойствами плазмы. |
4. Структура курса
Структура курса, как это показано на рис.1 ниже, может быть условно разделена на три части: 1) Проблемы УТС и основы ТЯ синтеза, 2) Теория движения заряженных частиц в электрических и магнитных полях, (включая теорию дрейфового движения) и основные системы удержания горячей плазмы, 3) Макроскопические свойства плазмы и устойчивость плазмы (гидродинамический и кинетический подходы).
Рис.1: Структура курса “Физика плазмы”.
5. Содержание курса
Пп. Программы | Часы | Темы лекционных занятий |
1.1 | 2 | Введение в физику высокотемпературной плазмы. Мировая потребность в энергии. Ресурсы химического, ядерного и термоядерного горючего. Проблема УТС. Социальные и экологические стороны проблемы УТС. |
1.2 | 2 | Основные представления об элементарных процессах. Сечение реакций, средняя длина пробега, средняя энергия и температура. Единицы измерения этих величин. |
1.3 | 2 | Реакции синтеза легких ядер. Основные реакции на водороде, дейтерии и тритии. Сечения и энергетический выход реакций. Физические выводы из свойств сечений реакций синтеза. |
1.4 | 2 | Процессы с участием атомов в плазме. Упругое рассеяние, перезарядка, возбуждение, ионизация, рекомбинация и захват электронов. |
1.5 | 2 | Поверхностные явления в плазме. Адсорбция газов. Вторичная электронная и ионная эмиссия. Распыление и захват атомов на поверхности металла. |
1.6 | 6 | Движение заряженной частицы в электрических и магнитных полях. Движение в постоянных полях, циклотронный радиус и циклотронная частота. Дрейфовое движение. Условия адиабатичности и замагниченности. Качественное и количественное рассмотрение дрейфового движения. Дрейфовая скорость. Электрический, градиентный и центробежный дрейф. Инерционный дрейф. Ток намагничивания, парамагнитный краевой ток. |
1.7 | 2 | Основные представления об адиабатических инвариантах. Первый, второй, третий адиабатические инварианты в теории магнитных ловушек. Магнитные пробки. Открытая магнитная ловушка, конус потерь. Основные системы удержания заряженных частиц магнитными полями: открытая магнитная ловушка; ее модификации; замкнутые магнитные ловушки: Токамак, Стелларатор, их модификации. |
1.8 | 4 | Макроскопические свойства плазмы. а) Квазинейтральность плазмы. Электростатическое экранирование. Дебаевский радиус экранирования; частота плазменных колебаний. Плазма как сплошная среда. Вмороженность и диффузия магнитного поля. б) Двужидкостная модель плазмы. Обобщенный закон Ома для плазмы. Проводимость плазмы; тензор сопротивления и тензор проводимости. Кулоновские столкновения, сечение кулоновских столкновений, кулоновский логарифм. Столкновения с нейтральными частицами. |
1.9 | 4 | Колебания и волны в холодной плазме. а) Фазовая и групповая скорости, дисперсия и дисперсионное уравнение. Уравнения колебаний в линейном приближении. Волны в плазме без магнитного поля. Простейшие случаи распространения волн в плазме при наличии магнитного поля. Магнитогидродинамические волны. Дисперсия вблизи циклотронных частот. б) Магнитный звук. Гибридные частоты; дисперсия магнитного звука. Волны в плазме с конечной проводимостью. Резонансы поглощения и резонансы раскачки. |
1.10 | 2 | Колебания и волны в горячей плазме. Уравнения в гидродинамическом приближении. Скорость звука. Плазменные волны и ионный звук. Ускоренные и замедленные магнитозвуковые волны. |
1.11 | 4 | Физическая кинетика плазмы. Функция распределения и фазовое пространство. Моменты функции распределения. Уравнение Фоккера-Планка. Феноменологическое описание процессов переноса. Кинетическое уравнение без столкновений. Самосогласованные поля. |
1.12 | 2 | Основные методы диагностики плазмы. Зондовые методы, корпускулярные методы. СВЧ методы, оптические методы. |
6. Список литературы
1. Д. Роуз, М. Кларк. Физика плазмы и управляемые термоядерные реакции. М., 1963 г., (488стр.).
2. -Каменецкий. Лекции по физике плазмы. М., 1968 г., (283 стр.).
3. , , Теория поля. М., 1973 г..
4. . Современные методы исследования плазмы. М., 1962 г., 183с (150 стр).
5. Диагностика плазмы, под ред. Р. Хаддлстоуна, М., 1967 г., (515 стр.).
Дополнительная литература:
6. . Сборник задач по атомной и ядерной физике. М., Госатомиздат, 1963 г.,(344 стр.).
7. . Управляемые термоядерные реакции. М., Физматгиз. М., 1961 (468 стр.).
8. и др. Основы физики плаэмы. М., Атомиздат, 1977 (384 стр.).
ПРИЛОЖЕНИЕ
СПИСОК ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ ВОПРОСОВ
1. Мировая потребность в энергии. Ресурсы химического, ядерного и термоядерного горючего. Проблема управляемой термоядерной реакции. Социальные и экологические стороны проблемы УТС.
2. Основные представления об элементарных процессах. Сечение реакций, средняя длина пробега, средняя энергия и температура. Единицы измерения этих величин.
3. Реакции синтеза легких ядер. Основные реакции на водороде, дейтерии и тритии. Сечения и энергетический выход реакций. Физические выводы из свойств сечений реакций синтеза.
4. Атомные и поверхностные явления в плазме. Упругое рассеяние, перезарядка, возбуждение, ионизация, рекомбинация и захват электрона.
5. Адсорбция газов. Вторичная электронная и ионная эмиссия. Распыление и поглощение атомов и молекул на поверхности металлов.
6. Движение заряженной частицы в электрических и магнитных полях. Движение в постоянных электрическом и магнитном полях. Циклотронный радиус и циклотронная частота. Дрейфовое движение (качественное рассмотрение).
7. Дрейфовое движение. Условия адиабатичности и замагниченности. Качественное и количественное рассмотрение дрейфового движения.
8. Дрейфовая скорость. Электрический, градиентный и центробежный дрейф. Инерционный дрейф. Ток намагничивания. Парамагнитный краевой ток.
9. Основные представления об адиабатических инвариантах. Первый, второй и третий адиабатические инварианты в теории магнитных ловушек. Магнитные пробки Открытая магнитная ловушка; конус потерь. Основные системы удержания заряженных частиц магнитными полями: “Пробкотрон”, “Токамак”, “Стелларатор” и их модификации.
10. Макроскопические свойства плазмы. Квазинейтральность плазмы. Электростатическое экранирование. Дебаевский радиус экранирования; частота плазменных колебаний. Плазма как сплошная среда. Вмороженность и диффузия магнитного поля.
11. Двужидкостная модель плазмы. Обобщенный закон Ома для плазмы. Проводимость плазмы; тензор сопротивления и тензор проводимости. Кулоновские столкновения, сечение кулоновских столкновений, кулоновский логарифм.
12. Колебания и волны в холодной плазме; фазовая и групповая скорость; дисперсия и дисперсионное уравнение. Уравнение колебаний в линейном приближении. Волны в плазме без магнитного поля
13. Простейшие случаи распространения волн в плазме при наличии магнитного поля. Магнитогидродинамические волны. Дисперсия вблизи циклотронных частот.
14. Магнитный звук. Гибридные частоты ; дисперсия магнитного звука. Резонансы поглощения и резонансы раскачки.
15. Колебания и волны в горячей плазме. Уравнения в гидродинамическом приближении. Скорость звука. Плазменные волны и ионный звук. Ускоренные и замедленные магнитозвуковые волны.
16.Физическая кинетика плазмы. Функции распределения и фазовое пространство. Моменты функции распределения. Уравнение Фоккера-Планка. Феноменологическое описание процессов переноса. Кинетическое уравнение без столкновений.
Самосогласованные поля.
