Рабочая программа дисциплины «Излучательные свойства и спектрокопия низкотемпературной плазмы»

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ

Целью освоения дисциплины «Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы» является:

Получение аспирантами систематизированных представлений о природе излучения низкотемпературной плазмы, формируемых на основе знаний  энергетических спектров атомов и молекул.

Изучение проблемы переноса излучения в  плазме как одного из важнейших механизмов энергообмена.

Освоение аспирантами как теоретических основ количественной спектроскопии плазмы, так и приобретение практических навыков спектрального определения основных параметров низкотемпературной плазмы.

Знакомство с современными методами и системами автоматизированного сбора и обработки данных, овладение аспирантами компьютерными программами ведения спектроскопического эксперимента.

Освоение основ физики лазеров как уникальных источников когерентного, монохроматического и поляризованного излучения; знакомство с важнейшими научно-техническими применениями лазеров.

Задачами данного курса  являются:

познакомить обучающихся с основами теории атомных и молекулярных спектров; приобрести практические навыки спектрального определения основных параметров низкотемпературной плазмы; 

дать информацию о современных методах и системах автоматизированного сбора и обработки спектроскопических данных; освоить основы физики лазеров и познакомиться с их важнейшими научно-техническими применениями.

Место дисциплины в структуре ООП АСПИРАНТУРЫ

       Дисциплина «Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы» относится к вариативной части цикла Б1.В. ДВ1 кода УЦ ООП  и принадлежит к типу «b» по характеру освоения, т. е. должна быть освоена аспирантом обязательно, но не обязательно в период обучения, отмеченный в базовом учебном плане.

       

УРОВЕНЬ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

Подготовка научно-педагогических кадров в аспирантуре.

ГОД И СЕМЕСТР ОБУЧЕНИЯ

Второй год, четвертый семестр обучения.

ОБЪЁМ УЧЕБНОЙ НАГРУЗКИ И ВИДЫ ОТЧЁТНОСТИ.

Вариативная часть, в т. ч.:	5 зач. ед.
Контактная работа аспиранта с преподавателем, всего, в т. ч.:	90  часов
лекции	36  часов
практические занятия	54  часа
лабораторные работы	0  часов
индивидуальные занятия с преподавателем	нет  часов
Самостоятельные занятия	90  часов
Итоговая аттестация	диф. зачет  2 курс
ВСЕГО	5 зач. ед., 180  часов

Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

Освоение дисциплины ««Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы» направлено на формирование следующих Универсальных, общепрофессиональных и профессиональных компетенций аспиранта:

а) универсальные (УК):

способность к критическому анализу и оценке современных научных достижений, генерированию новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (УК-1).

б) профессиональные (ПК)

- способность создавать и исследовать математические модели явлений, процессов систем, в области физики плазмы (ПК 3).

конкретные Знания, умения и навыки, формируемые в результате освоения дисциплины

В результате освоения дисциплины «Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы» обучающийся должен:

Знать:

основные источники научно-технической информации (монографии, справочники, журналы, сайты Интернет) по спектроскопии низкотемпературной плазмы;

основы теории атомных и молекулярных спектров;

основные методы количественной спектроскопии плазмы; основы физики лазеров и познакомиться с их важнейшими научно-техническими применениями.

Уметь:

выполнять оценки излучательных  свойств  плазмы с заданными параметрами и геометрией;

практически применить методы количественной спектроскопии в исследованиях плазмы; использовать автоматизированные программы обработки результатов спектральных измерений; осуществлять литературный поиск, анализировать научно-техническую информацию и уметь выбирать оптимальные решения задач по спектроскопии; использовать информацию о достижениях в области спектральной диагностики в практической работе.

3. Владеть:

навыками дискуссии по вопросам спектральной диагностики; терминологией в области оптики и спектроскопии плазмы; навыками поиска информации о спектральных свойствах атомов и молекул; информацией о технических параметрах современного спектрального оборудования; навыками применения полученной информации при проектировании и изготовлении систем спектральной диагностики.

ПЛАНИРУЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОБУЧЕНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ (модулю), соотнесенных с планируемыми результатами освоения образовательной программы

Формируемые компетенции (код компетенции, уровень освоения)	Планируемые результаты обучения по дисциплине (модулю)
УК-1	З (УК-1) -1 Знать методы критического анализа и оценки современных достижений в области физики плазмы в целом и спектроскопии низкотемпературной плазмы, в частности. У (УК-1)-1 Уметь анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов. В (УК-1)-1 Владеть навыками анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях
ПК-3	З (ПК-3)- 1Знать современные подходы и методы создания математических моделей процессов в области физики плазмы в целом и спектроскопии низкотемпературной плазмы, в частности. У (ПК-3)- 1 Уметь исследовать математические и программные модели процессов в области физики плазмы в целом и спектроскопии низкотемпературной плазмы, в частности. В (ПК-3)-1 Владеть навыками работы с программным обеспечением, применяемым в области физики плазмы в целом и спектроскопии низкотемпературной плазмы, в частности.

Структура и содержание дисциплины

Структура дисциплины

Перечень разделов дисциплины и распределение времени по темам:

№ темы и название	Количество часов	Количество часов
1. Энергетические спектры атомов	24	50
2. Энергетические спектры  молекул	12	12
3. Излучательные  свойства низкотемпературной плазмы	18	48
4. Основы количественной спектроскопии плазмы	20	36
5. Методы спектральной диагностики равновесной и неравновесной  плазмы	18	34
6. Краткие основы физики лазеров	20	180
ВСЕГО (часов)	112

Вид занятий

Лекции:

№ п. п.	Темы	Трудоёмкость (количество часов)
1	Энергетические спектры атомов	6
2	Энергетические спектры  молекул	4
3	Излучательные  свойства низкотемпературной плазмы	6
4	Основы количественной спектроскопии плазмы	8
5	Методы спектральной диагностики равновесной и неравновесной  плазмы	6
6	Краткие основы физики лазеров	6
ВСЕГО (часов)	36 часов

Лабораторные занятия:  Всего (часов) – 6.

№ 1. Определение температуры электронов свободной дуги из анализа относительного распределения возбужденных ионов аргона в зависимости от энергии возбуждения.

№  2. Определение концентрации электронов плазмы свободной дуги по штарковской ширине линий ArI и ArII.

Семинары:

№ п. п.	Темы	Трудоёмкость (количество часов)
1	Энергетические спектры атомов	8
2	Энергетические спектры  молекул	6
3	Излучательные  свойства низкотемпературной плазмы	8
4	Основы количественной спектроскопии плазмы	10
5	Методы спектральной диагностики равновесной и неравновесной  плазмы	8
6	Краткие основы физики лазеров	8
ВСЕГО (часов)	48

Самостоятельная работа:

№ п. п.	Темы	Трудоёмкость (количество часов)
1	- изучение теоретического курса – выполняется самостоятельно каждым студентом по итогам каждой из лекций, результаты контролируются преподавателем на лекционных занятиях,  используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, методические пособия.	40 часов
2	- решение задач по заданию преподавателя– решаются задачи, выданные преподавателем по итогам лекционных занятий и сдаются в конце семестра, используются конспект (электронный) лекций, учебники, рекомендуемые данной программой, а также сборники задач, включая электронные, учебно-методические пособия.	42 часа
3	Подготовка к дифференцированному зачету	8 часов
ВСЕГО (часов)	90 часов

Содержание дисциплины

№ п/п	Название модулей	Разделы и темы лекционных занятий	Содержание	Объем
Аудиторная работа (часы)	Самостоятельная работа (часы)
1	Энергетичес-кие спектры атомов и молекул	Энергетические спектры атомов	Энергетические спектры атомов. Состояния и квантовые числа связанных электронов в атоме. Электронные конфигурации и термы основных состояний атомов. Уровни энергии и спектры атомных частиц. Спектры простых и сложных атомов. Правила отбора для изменения состояний излучающего атома.	14	14
2	Энергетические спектры  молекул	Энергетические спектры  молекул. Потенциалы взаимодействия атомных частиц. Квантовые числа двухатомной молекулы. Электронные конфигурации двухатомных молекул. Потенциальные кривые двухатомных молекул и ионов. Электронно-колебательно-вращательные спектры молекул и молекулярных ионов.	10	14
3	Излучатель-ные свойства низкотемпературной плазмы	Состав и характерис-тики излучения низкотемпе-ратурной плазмы	Типы радиационных переходов. Непрерывное излучение плазмы. Излучение спектральных линий: интенсивности, контур и ширина. Характерные спектры излучения атомарной и молекулярной плазмы. Перенос излучения в плазме. Оптическая толщина. Реабсорбция излучения. Уравнение переноса излучения Бибермана-Холстейна и его решения.	20	14
4	Атомная и молекуляр-ная спектро-скопия низко-температур-ной плазмы	Основы количественной спектроскопии плазмы	Основы фотометрии и измерение спектральных интенсивностей. Спектральная аппаратура и приемники излучения. Эталоны длин волн и спектральной плотности излучения. Современный спектроскопический эксперимент.	18	16
5	Методы спектральной диагностики равновесной и неравновесной  плазмы	Абсолютные интенсивности спектральных линий, континуума, молекулярных полос. Контуры спектральных линий (СЛ). Самообращение контуров СЛ. Методы спектрального определения параметров атомарной  и молекулярной плазмы. Особенности спектральной диагностики неравновесной и нестационарной плазмы. Нелинейные оптические эффекты. Диэлектрическая проницаемость и критическая плотность плазмы.	14	14
6	Принципы работы лазеров	Краткие основы физики лазеров	Оптические резонаторы и его моды. Спонтанное и вынужденное излучение. Инверсия населенности. Принцип работы лазера. Механизмы и способы создания активной среды лазеров. Свойства лазерного излучения. Основные типы лазеров. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.	14	18
ВСЕГО  (часов)	90	90

Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов

10.1 Перечень компетенций выпускников образовательной программы, в формировании которых участвует дисциплина (модуль), и их «карты»

Вид дисциплины	Компетенции Наименование дисциплины	Универсальные компетенции	Обще-профессиональные компетенции	Профессиональные компетенции
УК-1	УК-2	УК-3	УК-4	УК-5	ОПК-1	ОПК-2	ПК-1	ПК-2	ПК-3
Вариативная часть	Дисциплины по выбору	Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы	+	+

10.2 Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки результатов обучения

№ вопроса п/п	Вопрос	Варианты ответа	Верный вариант ответа
1.	Какой уровень энергии системы называют вырожденным?	если этому уровню энергии соответствует множество состояний системы если этому уровню энергии соответствует множество взаимно независимых систем если этому уровню энергии соответствует одно состояние системы если этому уровню энергии соответствует одна система	а)
2.	Главное квантовое число  n определяет	а)  значение азимутального механического момента значение проекции азимутального механического момента энергию стационарного состояния значение квадрата азимутального механического момента	c)
3	Орбитальное магнитное квантовое число ml определяет	значение проекции орбитального момента значение квадрата орбитального момента значение орбитального момента значение проекции орбитального момента	a)
4.	Какие значения может принимать спиновое магнитное квантовое число sm?	-0.5<sm< 0.5 -1<sm<1 -1 , 1 -0.5, 0.5	d)
5.	Какой переход в энергетическом спектре одноэлектронной атомной системы запрещен?	s>p p>d s>d f>d	c)
6.	Какова электронная конфигурация атома Mg (12-й таблице Менделеева)?	1p22p22s63p2 1s22s22p63s2 1s22s22p8 1s22s23p63s2	b)
7.	Каков полный орбитальный механический момент для атома Na?	S P D F	a)
8.	Какое состояние атомной системы считается основным?	Состояние полной ионизации Состояние возбуждения Состояние с минимальной возможной энергией Состояние с максимальной возможной энергией	c)
9.	На какой модели основана большая часть методов диагностики низкотемпературной плазмы?	модель частичного локального термодинамического равновесия модель  полного термодинамического равновесия модель  локального термодинамического равновесия модель коронального равновесия	c)
10.	Какое из перечисленных выражений является условием квази - нейтральности?		a)
11.	При каких условиях наиболее удобно проводить измерения интенсивности излучения?	спектральный прибор выделяет целиком изолированные спектральные линии спектральный прибор выделяет целиком изолированные спектральные линии и плазма оптически тонкая спектральный прибор выделяет целиком изолированные спектральные линии, плазма оптически тонкая и может считаться точечным источником спектральный прибор выделяет целиком изолированные спектральные линии, плазма оптически толстая и может считаться точечным источником	b)
12.	Для чего применяется сравнение сигнала от плазменного источника с сигналом от эталонного источника?	с целью исключения влияния таких факторов как геометрия освещения, потери света на оптике, характеристики электронной аппаратуры с целью убедиться в пригодности снятого спектра для обработки для учета чувствительности используемого прибора и перевода снятой интенсивности в абсолютную для проверки исправности прибора, регистрирующего спектр излучения	c)
13.	Является ли эталон, применяемый в спектроскопии, источником, максимально воспроизводящим излучение абсолютно черного тела?	нет, в зависимости от представляющего интерес спектрального интервала лучше использовать соответствующие эталонные источники нет, но в интервале от 200 нм до 700 нм можно применить любой эталонный источник излучения да, такие эталоны можно применять для любого спектрального диапазона да, но лучше всего использовать вольфрамовый эталонный источник излучения	a)
14.	Какое из ниже перечисленных уравнений используется для расчета состава плазмы?	уравнение Саха условие квазинейтральности уравнение состояния идеального газа все вышеперечисленное	d)
15.	Укажите верное утверждение	каждому колебательному уровню в молекуле соответствует множество вращательных уровней каждому вращательному уровню соответствует один колебательный уровень каждому вращательному уровню в молекуле соответствует множество колебательных уровней каждому электронному состоянию соответствует один колебательный уровень	a), b)
16.	Какое из нижеперечисленных утверждений является принципом  Франка — Кондона?	легче всего совершаются переходы в такие нижние колебательные состояния, для которых одна из точек поворота расположена на таком же междуядерном расстоянии, что и одна из точек поворота в верхнем состоянии легче всего совершаются переходы в такие нижние колебательные состояния, для которых одна из точек поворота расположена на меньшем междуядерном расстоянии, чем одна из точек поворота в верхнем состоянии легче всего совершаются переходы в такие нижние колебательные состояния, для которых одна из точек поворота расположена на большем междуядерном расстоянии, чем одна из точек поворота в верхнем состоянии вероятность переходов и одного состояние в другое никак не зависит от расположения точек поворота друг относительно друга	a)
17.	Какое утверждение, касающееся изменения энергии при переходе при переходе между двумя электронными состояниями, верно?	, , , ,	a)
18.	Какие значения может принимать проекция полного орбитального момента ML на ось молекулы?		a)
19.	Каково правило отбора для вращательного квантового числа J?		c)
20.	В каком случае на молекулярном спектре появляется кант (сгущение линий) с красным или фиолетовым оттенением полосы?	Когда при переходе с верхнего энергетического состояния на нижнее вращательная постоянная B’ верхнего состояния меньше, чем B’’ нижнего Когда при переходе с верхнего энергетического состояния на нижнее вращательная постоянная B’ верхнего состояния равна B’’ нижнего Когда при переходе с верхнего энергетического состояния на нижнее вращательная постоянная B’ верхнего состояния больше, чем B’’ нижнего Всегда, вне зависимости от значений вращательных постоянных	a)

10.2.2. Перечень контрольных вопросов для сдачи дифференцированного зачета и экзамена:

Состояния и квантовые числа связанных электронов в атоме.

Ответ: см. [6] основной литертуры . Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы. Учебное пособие для ВУЗов. М., Изд. Дом МЭИ,  2012, 10,6 п. л., стр.10-13 (далее кратко: см. [6], с.10-13)

Выполнить оценку концентрации электронов равновесной плазмы  Ar  атмосферного давления при электронной температуре Те=12000К

Ответ: см. [6] , с.95-97

3.        Атом Бора. Уровни энергии, орбиты. Спектр атома водорода.

       Ответ: см. [6] , с.14-22

4. Оптическая толщина плазмы. Реабсорбция излучения спектральных линий и ее использование  в спектроскопии.

Ответ: см. [6] , с.71-72

Уровни энергии и спектры излучения атомных частиц. Правила отбора для изменения состояний излучающего атома.

Ответ: см. [6] , с.12-17, 20-22

Интенсивности спектральных линий, континуума, молекулярных полос. Их связь с параметрами низкотемпературной плазмы.

Ответ: см. [6] , с.46-50, 80-82

6. Энергия и энергетические уровни двухатомных молекул.

       Ответ: см. [6] , с.29-33

7. Найти относительную равновесную заселенность верхнего уровня по сравнению с нижним, если энергетический зазор между ними соответствует частоте перехода азотного лазера (337 нм), а  температура среды 8000 К.

Ответ: Использовать закон Больцмана для отношения заселенности верхнего и нижнего уровней, взяв в качестве энергии возбуждения  величину  E=ch/k?лаз

8. Кривые потенциальной  энергии  двухатомных молекул и ионов. Энергия диссоциации молекул.

Ответ: см. [6] , с.30-33

Методы спектрального определения температуры и концентрации электронов атомарной плазмы.

Ответ: см. [6] , с.133-143

Электронно-колебательно-вращательные спектры молекул  и молекулярных ионов. Почему их называют  «полосатыми»?

Ответ: см. [6] , с.36-41

Типы радиационных переходов. Непрерывное излучение плазмы. Излучение спектральных линий: интенсивности, контур и ширина.

               Ответ: см. [6] , с.53—60, 54-72

12. Правила отбора для одноэлектронных атомов. Спектральные серии атома водорода.

       Ответ: см. [6] , с.20-22

13. Принцип Франка-Кондона и относительные интенсивности электронно-колебательных полос.

       Ответ: см. [6] , с.37-40

14. Свойства спонтанного и вынужденного излучения. Вероятность этих процессов и относительная роль в низкотемпературной плазме.

       Ответ: см. [6] , с.64-67

15. Сформулируйте принципы выбора дисперсии и ширины щели спектрального прибора для исследования контура спектральной линии с ожидаемой шириной <0.5.

       Ответ: см. [6] , с.107-109

16. Состояние локального термодинамического равновесия в плазме и его использование в спектральной диагностике.

       Ответ: см. [6] , с.92-97, 135-139

17. Спектроскопия с использованием ПЗС-линеек и ПЗС-матриц. Спектральное и временное разрешение систем с их использованием.

       Ответ: см. [6] , с.145-155

Спектр излучения абсолютно черного тела. Закон Планка.

Ответ: см. [6] , с.50-53

Преимущества и недостатки спектральной диагностики плазмы. Метод  абелевского  преобразования для получения радиальных распределений интенсивности излучения при хордовых наблюдениях.

Ответ: см. [6] , с.87-89, 130-133

Электронные конфигурации и термы основных состояний атомов (на примере  H, He, Na)

Ответ: см. [6] , с.22-29

Какому интервалу частот (см-1) соответствует спектральный интервал ?? = 2 A на длине волны  500 нм?

Ответ: ?? =  ??/?2  , ?  выразить в см

Электронные конфигурации двухатомных молекул. Символьное представление электронного терма молекул.

Ответ: см. [6] , с.33-36

Выполнить оценку количества частиц в сфере Дебая для сильно ионизованной плазмы с температурой Te =1.5  эВ и  ne = 1017 см-3.

Ответ: см. [5] Райзер. Ю.П., с.73-75

       D  = 525[T(эВ)/ne]1/2, см

…

Материально-техническое обеспечение дисциплины

Необходимое оборудование для лекций  и практических занятий: компьютер и мультимедийное оборудование (проектор), доступ к сети Интернет

Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

12.1 Основная литература

. Спектроскопия низкотемпературной плазмы. М.:Физматлит, 2006. . . Основы атомной физики. М.: Научный Мир, 2006. . Атомная и молекулярная спектроскопия. М.: Физматлит. 2 изд., 2001. , , . Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. . Физика газового разряда. М.: Интеллект, 2009. . Излучательные свойства и спектроскопия низкотемпературной плазмы. Учебное пособие для ВУЗов. М., Изд. Дом МЭИ,  2012, 10,6 п. л.

12.2 Дополнительная литература:

1. . Введение в теорию атомных спектров. М.: Физматгиз, 1987.

2. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. П/р. . Вводный том. ТТ 1-4. М.: Наука, 2000.

3. , , . Стабилизированные электрические дуги и их  применение в теплофизическом эксперименте. М., Физматлит, 2008.

4. , , . Техника и практика спектроскопии. М., Наука, 1976.

12.3 Электронные ресурсы, включая доступ к базам данных  и т. д.

12.4  Перечень используемых информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса, включая программное обеспечение, информационные справочные системы (при необходимости):

1. NIST Atomic Spectra Database Lines Data (http://physics. nist. gov/ cgi-bin/ AtData/main_asd).

2. Пакеты программ обработки молекулярных спектров LIFBASE  и SPECAIR.

Язык преподавания - русский.

Программу составил ______________________ ___,д. ф.-м. н.

  «_____»_________2015г.