Банк контролирующих материалов по дисциплине
ФИЗИКА И ТЕХНИКА МОЩНЫХ
РАДИАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
200400 «Оптотехника» (магистратура)
ПРОФИЛЬ ПОДГОТОВКИ: «Оптические технологии»
Список заданий и задач на лабораторные работы.
1. Изучить устройство и принцип работы импульсного сильноточного ускорителя электронов (ИСУЭ).
2. Изучить устройство и работу срезающего разрядника. Научиться регулировать длительность тока сильноточного электронного пучка (СЭП) с помощью срезающего разрядника.
2. Изучить устройство и работу цилиндра Фарадея. Измерить осциллограммы тока электронного пучка при различных положениях срезающего разрядника.
3. Изучить устройство и работу пьезоакустического датчика. Отградуировать пьезодатчик с помощью метода химической дозиметрии.
4. С помощью пьезодатчика измерить плотность энергии Н электронного пучка, выведенного в атмосферу. Научиться варьировать плотность энергии СЭП путем изменения величины межэлектродного промежутка d (катод - анодный зазор).
5. Изучить методы измерения средней (эффективной) энергии электронов Е по экстраполированному пробегу Rе в диэлектриках и поглощению в тонких металлических фольгах различной плотности с (Al, Cu, Ti).
Значение экстраполированного пробега Rе находят по пересечению касательной к резко падающему участку графика кривой поглощения с осью абсцисс. Для определения пробега электронов в облучаемой мишени использовать формулу:
Re = 0,11 [( 1 + 22,4 Е2)1/2 - 1 ]·с-1 , (1)
где Re[см] – экстраполированный пробег электронов пучка в твердом теле; Е.[МэВ] – эффективная энергия электронов в пучке; с[г/см3] – плотность облучаемого материала.
6. Измерить угловую расходимость электронного пучка выведенного в атмосферный воздух. Измерения проводить с помощью цилиндра Фарадея и подвижной диафрагмы.
7. Исследовать эффект самофокусировки СЭП в вакуумном диоде ускорителя ГИН-600. Получить автографы СЭП на различных материалах (металлах и полимерах) при варьировании межэлектродного зазора d от 8 до 2 мм:
- изучить пространственное распределение следов эрозии на поверхности металлов (медь, алюминий); изучить пространственное распределение центров окраски и электрических разрядов, формируемых самосфокусированным СЭП в полимерах; измерить эффективную энергию электронов Е в режиме самофокусировки СЭП. Получить осциллограммы свечения эрозионной плазмы, образующейся при испарении твердых тел самосфокусированным СЭП.
8. Изучить явление электрического пробоя диэлектриков, индуцированного сильноточным электронным пучком.
9. Изучить устройство и работу импульсного спектрометра.
10. Ознакомиться с руководством по эксплуатации микровизора проходящего света мVizo-101. Приобрести навыки работы на микровизоре.
11. Ознакомиться с инструкцией по эксплуатации цифровой зеркальной камеры SONY (DSLR-A500/A500). Приобрести навыки работы с фотоаппаратом.
12. Измерить спектрально-кинетические характеристики свечения полиметилметакрилата при низкой (допороговой ≤ 0,2 Дж/см2) и высокой (надпороговой ~ 2 Дж/см2) плотности энергии электронного пучка.
13. С помощью фотоаппарата и микровизора получить информацию о пространственном распределении каналов электрического пробоя в полиметилметакрилате.
14. Изучить влияние плотности энергии СЭП на:
- временные характеристики свечения ПММА в первом импульсе возбуждения; пространственное распределение каналов электрического пробоя в зоне торможения СЭП. По полученным данным оценить максимальную энергию электронов в энергетическом спектре СЭП.
15. Измерить спектральные и кинетические характеристики свечения атмосферного воздуха при возбуждении объемным электрическим разрядом, индуцированным сильноточным электронным пучком.
- Изучить устройство и работу импульсного спектрометра. Ознакомиться со схемой эксперимента. Измерить спектр люминесценции воздуха (по точкам) в диапазоне длин волн 330 - 500 нм.
- Определить кинетические параметры и полуширины полос люминесценции азота: λ = 337,13 нм; λ = 338,49 нм. Измерить амплитудные значения интенсивности полос люминесценции молекулы азота (область от 281 нм до 500 нм), данные занести в таблицу №1.
Таблица №1
Полосы люминесценции молекул N2, обнаруженные при возбуждении атмосферного воздуха объемным электрическим разрядом, индуцированным сильноточным электронным пучком.
I, отн. ед. | v ' | v '' | λ, нм | I, отн. ед. | v ' | v '' | |
337.17 | 0 | 0 | 434,36 | 0 | 4 | ||
353,67 | 1 | 2 | |||||
357,69 | 0 | 1 | |||||
Варианты индивидуальных заданий.
1. Рассчитать скорость нарастания плотности потока мощности электронного пучка 
, необходимую для испарения металлических мишеней:
1) АI;
2) Bi;
3) Cu;
4) Fe;
5) Mo;
6) Pb;
7) Sn;
8) W;
9) Zn.
Начальные условия: 
= 300 К;
средняя энергия электронов в пучке Е = 250 кэВ.
Для определения температуры облучаемой мишени использовать формулу:
= 
, 
(2)
где 
– температура поверхности анода к концу импульса возбуждения, К; 
– начальная температура анода, К; 
– скорость нарастания плотности потока мощности электронного пучка на поверхности мишени, Вт/см2 · с; 
– длительность импульса возбуждения, с; 
и 
– соответственно, удельная теплоемкость и плотность мишени, Дж/г · К; г/см3; 
– глубина пробега электронов в веществе мишени, см.
Для определения глубины пробега СЭП в материалах использовать соотношение Катца - Пенфольда:
, (3)
Необходимые для расчета константы представлены в таблице 2.
Таблица № 2
Материал |
| C, | Tc, |
г/см3 | Дж/г · К | К | |
АI | 2,7 | 0,896 | 2820 |
Bi | 9,78 | 0,127 | 1852 |
Cu | 8,96 | 0,385 | 2843 |
Fe | 7,8 | 0,465 | 3172 |
Mo | 10,22 | 0,251 | 5000 |
Pb | 11,34 | 0,13 | 2045 |
Sn | 5,85 | 0,218 | 2750 |
W | 19,1 | 0,134 | 5980 |
Zn | 7,13 | 0,389 | 1206 |
,2. Рассчитать механические напряжения P, возникающие в облучаемых электронным пучком материалах: АI, Cu, Pb, ZnSe, CdS, ZnS, KCl при плотностях энергии электронного пучка - 1,0 и 10 Дж/см2.
Для расчета использовать выражение : P = Г·щ, где Г ≈ 1 - постоянная Грюнайзена; щ - объемная плотность энергии, Дж/м3;
Средняя энергия электронов в пучке Е = 250 кэВ.
Для определения пробега электронов в облучаемой мишени использовать формулу:
Re = 0,11 [( 1 + 22,4 Е2)1/2 - 1 ]·с-1 , (1)
Таблица № 3
Материал |
| Eg |
г/см3 | эВ | |
АI | 2,7 | |
Cu | 8,96 | |
Pb | 11,34 | |
ZnSe | 5,3 | 2,7 |
CdS | 4,82 | 2,52 |
ZnS | 4,1 | 3,9 |
KCl | 1,99 | 8,7 |
,3. Рассчитать уровни возбуждения G, (пар/см3 · с) кристаллов ZnSe, CdS, ZnS при их облучении электронным пучком с плотностью энергии Н = 0,1 и Н = 1 Дж/см2.
Учесть, что энергия образования одной электронно-дырочной пары ж равна ж = 3 Eg, где Eg – ширина запрещенной зоны кристалла.
Средняя энергия электронов в пучке Е = 300 кэВ.
Плотность кристаллов и ширины запрещенных зон приведены в таблице 3.
4. Рассчитать напряженность электрического поля, формируемого сильноточным электронным пучком с плотностью энергии Н = 0,2 и 2,0 Дж/см2 в следующих диэлектриках:
полиметилметакрилате (е = 3,5) ; NaCl (е = 5,6) ; LiF (е = 9,2); КI (е = 4,94).
е 0 = 8,85· 10-14 Ф/см. Радиационную проводимость материалов не учитывать.
5. Изучить возможность применения высокоэнергетических сильноточных электронных пучков для люминесцентного контроля тонкопленочных светодиодных гетероструктур выращенных на сапфировых подложках.
- измерить спектральные и кинетические характеристики импульсной катодо-и фотолюминесценции образцов различной предыстории. изучить влияние плотности электронного пучка на амплитудные и спектрально-кинетические характеристики светодиодных гетероструктур; сравнить два способа возбуждения люминесценции гетероструктур (фото - и катодо-), выяснить преимущества применения СЭП для контроля светодиодных гетероструктур.
Список вопросов для самоконтроля.
Объясните устройство и принцип работы импульсного электронного ускорителя на основе взрывной электронной эмиссии. Приведите схему генератора импульсного напряжения Аркадьева — Маркса. Дайте определение взрывной электронной эмиссии. Что такое вакуумный диод, из каких частей он состоит? Приведите параметры электронных пучков, формируемых в вакуумных диодах сильноточных электронных ускорителей. Перечислите основные физические процессы, которые развиваются в вакуумном диоде при поступлении на катод высоковольтного импульса напряжения. Каковы причины образования и свойства катодной плазмы? Перечислите физические причины, приводящие к формированию анодного факела. В чем заключается механизм фокусировки электронных пучков в вакуумных диодах сильноточных ускорителей электронов? Объясните устройство и принцип работы акустического пьезодатчика. Устройство и работа цилиндра Фарадея. Работа и устройство срезающего разрядника. Регулировка длительности импульса тока СЭП. Дайте определение экстраполированного пробега (Re) электронов в веществе. Приведите формулу для расчета Re. Какие экспериментальные методы измерение экстраполированного пробега вы знаете. Какие физические явления развиваются при ударном взаимодействии высокоскоростных плазменных потоков, формируемых мощным электронным пучком, с твердыми преградами. Как изменяются оптические и спектроаналитические характеристики эрозионной плазмы на различных стадиях ее разлета. В чем заключается способ атомно-абсорбционного анализа с испарением пробы импульсным электронным пучком? Опишите конструкцию устройства, реализующего способ электронно-пучкового атомного спектрального анализа. Какую роль выполняет катод вакуумного диода в этом устройстве. Перечислите основные достоинства электронно-пучкового метода атомного спектрального анализа по сравнению с лазерным спектральным анализом. Какие физические процессы, развиваются в диэлектриках и полупроводниках при облучении сильноточным электронным пучком? В чем заключается модель фундаментальной плазменной люминесценции (ФПЛ). Спектральные и кинетические характеристики ФПЛ. ФПЛ как внутризонное свечение электронно-дырочной пассивной зоны. Изложите модель высокоэнергетической проводимости диэлектриков (ВЭП). Уточните свойства ВЭП.
21. Мощная пороговая электронная эмиссия диэлектриков. Модельные представления.
22. Объясните, почему облучение диэлектриков сильноточным электронным пучком сопровождается электрическим пробоем образца. О чем свидетельствует этот факт?
23. Приведите схемы инициирования электрических разрядов в диэлектриках и полупроводниках с помощью сильноточного электронного пучка.
Укажите, при каких условиях эксперимента развиваются электрические разряды в диэлектриках и полупроводниках вне зоны торможения СЭП. Уточните пространственно-временную структуру разрядов. Спектрально-кинетические характеристики свечения электрических разрядов в ионных кристаллах. Укажите, при каких условиях эксперимента электрические разряды развиваются в диэлектриках и полупроводниках в зоне торможения СЭП. Уточните пространственно-временную структуру разрядов. Как влияют макродефекты (дислокации, преципитаты), образующиеся в кристаллах при выращивании, на пространственное распределение электрических разрядов, инициируемых СЭП в зоне торможения. Укажите принципиальные отличия спектров свечения электрических (стримерных) разрядов, развивающихся в диэлектриках и полупроводниках? От чего зависит спектральный состав свечения стримерных разрядов, инициируемых СЭП в полупроводниках и диэлектриках.28. Как влияет плотность энергии СЭП на временные характеристики свечения электрических разрядов в ПММА в первом импульсе возбуждения. Как изменяется пространственное распределение каналов электрического пробоя с ростом плотности энергии СЭП.
29. Какие типы поверхностных разрядов формируются в диэлектриках при их облучении СЭП? Укажите, в чем заключаются принципиальные отличия диффузных и искровых поверхностных разрядов.
30. Приведите схему измерения тока электронной эмиссии из канала электрического пробоя, индуцированного СЭП. Опишите временные и энергетические характеристики эмиссионного тока. Оцените, какая доля энергии СЭП, выделяется в канале электрического пробоя.
31. Какие механизмы разрушения реализуются при облучении диэлектриков СЭП.
32. Уточните амплитудные значения импульсных механических напряжений, генерируемых СЭП в каналах электрического пробоя в диэлектриках.
33. Каковы амплитуды динамических напряжений, возникающих в твердых телах при их облучении сильноточными электронными пучками.
34. Уточните физические причины, ответственные за формирования макро - и микрозон пластической деформации в ЩГК при облучении СЭП.
Пространственное распределение остаточных механических напряжений в кристалле KCI.
35. Перечислите основные закономерности формирования периодических структур разрушения (ПСР) в ЩГК при облучении СЭП. Пространственная структура ПСР. Динамика и механизм их формирования.
36. Какие механизмы диссипации энергии СЭП в диэлектриках вы знаете.
37. Перечислите главные факторы разрушающего воздействия СЭП на диэлектрики и полупроводники.
38. Какие виды электрических разрядов вы знаете.
39. Каковы современные представления о физике объемного разряда в газах повышенного давления. Применение сильноточных электронных пучков для формирования объемных разрядов.
40. Можно ли применять высоковольтные импульсы напряжения наносекундной длительности для инициирования объемных электрических разрядов в газах повышенного давления.
41. Приведите схему возбуждения объемных электрических разрядов в газах высокого давления с помощью СЭП. Приведите блок-схему экспериментальной установки для исследования объемных электрических разрядов в газах повышенного давления.
42. Сравните спектры свечения объемного электрического разряда в атмосферном воздухе со спектрами искрового разряда. Укажите принципиальные различия.
43. Перечислите возможные применения объемных газовых разрядов в науке и технике.
Примеры экзаменационных билетов
