Министерство образования Российской Федерации
Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского

"УТВЕРЖДАЮ"
Декан радиофизического факультета
профессор ___________ С.Н. Гурбатов

УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
курса
"ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ"
для направления 511500 - Радиофизика,
магистерская программа (специализация)
511503 - Электромагнитные волны в средах
(цикл специальных дисциплин)
Н.Новгород - 2001

1. Организационно-методический раздел.

    Программа предназначена для подготовки магистров радиофизики, обучающихся по магистерской программе 511503 - "Электромагнитные волны в средах". Курс "Экспериментальные методы исследования плазмы" читается в 9 семестре и является дополнением к курсу "Электродинамика плазмы".
    Целью курса является изучение основных коллективных и элементарных процессов в плазме и выработка навыков их практического использования для получения и диагностики газоразрядной плазмы. Преподавание курса направлено на освоение студентами экспериментальной базы радиофизики в приложении к физике плазмы. В курсе разбираются основные методы получения и исследования газоразрядной плазмы для разных технических приложений (плазмохимия, управляемый термоядерный синтез, моделирование ионосферных явлений и т.д.), оцениваются возможности этих методов при использовании конкретных схем и приборов, анализируется современное состояние плазменной и диагностической техники и делается прогноз о направлениях ее дальнейшего развития.

В процессе изучения курса студенты должны освоить:

• методы экспериментальных исследований газоразрядной и полупроводниковой плазмы и физические законы, лежащие в основе этих методов;
• основы физики газового разряда;
• применение газоразрядных устройств;
• использование аппаратуры, предназначенной для диагностики плазмы.

2. Содержание курса.

I. ВВЕДЕНИЕ.

Предмет и содержание курса. Определение диагностики. Цели плазменной диагностики. Классификация методов диагностики. Влияние успехов в разработке новых методов диагностики на развитие физики плазмы.

II. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ.

Классификация разрядов. Определение пробойного поля. Несамостоятельный разряд. Электроионизационные оптические квантовые генераторы. Тлеющий разряд. Структура и вольтамперная характеристика тлеющего разряда. Применение тлеющего разряда. Дуговые разряды. Положительный столб и анодная область дугового разряда. Дуга с накальным катодом. Импульсный сильноточный разряд. Основные элементы электрической схемы импульсного сильноточного разряда. Плазменные пушки Маршалла и Бостика. Плазменный фокус. Q - машины. Высокочастотные разряды.

III. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕРМОЯДЕРНЫЕ УСТАНОВКИ.

Стационарные термоядерные установки (пробкотроны, стеллараторы, токамаки). Импульсные термоядерные установки (пинчи, плазменный фокус, лайнеры). Многопроточные ловушки. Электронный и лазерный управляемый термоядерный синтез. Методы дополнительного нагрева плазмы: джоулев нагрев, турбулентный нагрев, инжекция быстрых частиц, ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы.

IV. ОСНОВНЫЕ МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.

Измерение тока разряда. Измерение напряжений. Методы определения коэффициентов переноса. Полные радиационные потери. Фотографические методы исследования плазмы. Измерение полей в плазме. Волномеры и анализаторы спектра.

 V. КОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ.

Электрический зонд в плазме. Вольтамперная характеристика одиночного зонда. Определение температуры и плотности электронов, функции распределения электронов по энергиям. Недостатки и трудности метода. Двойной зонд. Определение температуры и плотности электронов двойным зондом. Многоэлектродный зонд - электростатический анализатор энергии частиц. Условия на элементы конструкции зонда и ограничения на параметры плазмы. Определение функций распределения электронов и ионов по энергиям. Пассивная корпускулярная диагностика. Методы регистрации и анализа частиц плазмы. Анализаторы заряженных частиц. Зондирование плазмы пучками заряженных и нейтральных частиц. Определение плотности плазмы и нейтрального газа. Определение величины и спектров электрических и магнитных полей.

VI. БЕСКОНТАКТНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ.

Микроволновая диагностика. Определение параметров плазмы по отраженному сигналу и по прошедшей волне. Интерферометры. Исследование плазмы по рассеянию электромагнитных волн на плазменных неоднородностях. Резонаторный метод. Волноводные методы определения Определение температуры и плотности электронов плазмы. Оптические методы диагностики. Определение электронной температуры по интенсивности излучения линейного спектра. Определение плотности плазмы. Определение параметров плазмы по форме контура спектральных линий. Измерение электрических полей в плазме оптическими методами. Внутрирезонаторная спектроскопия. Рассеяние света на флуктуациях плотности плазмы.

VII. ДИАГНОСТИКА ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ.

Эффективная масса электрона. Коэффициент отражения от пленочной структуры. Эллипсометрия. Зондовые методы. Индуктивный и емкостный методы.

Лабораторные занятия по курсу (9, 10 семестры, 132 часа).

1. Двойной зонд.
2. СВЧ резонаторный зонд.
3. Электростатический анализатор энергии заряженных частиц.
4. Определение параметров плазменного столба по его резонансной характеристике.

4. Формы текущего, промежуточного и итогового контроля.

Итоговый контроль: экзамен (зачет) в конце 9-го семестра.

5. Учебно-методическое обеспечение курса.

5.1. Рекомендуемая литература (основная).

1. Лохте-Хольтгревен В. Методы исследования плазмы. М.: Мир, 1971.
2. Холдстоун Р., Леонард С. Диагностика плазмы. М.: Мир, 1967.
3. Кузнецов Э.И., Щеглов Д.А. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1974, 159 с.
4. Павлов Л.П. Методы определения основных параметров полупроводниковых материалов. М.: Высшая школа, 1975, 206 с.
5. Грановский В.Л. Электрический ток в газах. М.: Наука, 1971, 543 с.
6. Мак-Дональд А. Сверхвысокочастотный пробой в газах. М.: Мир, 1969, 205 с.
7. Киреев П.С. Физика полупроводников. М.: Высшая школа, 1975, 584 с.

5.2. Рекомендуемая литература (дополнительная).

1. Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. М.:Атомиздат, 1968, 219 с.
2. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. М.: Наука, 1968, 327 с.
3. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969, 291 с.
4. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978.
5. Гиппиус А.А., Павлова Л.С., Поляков В.М. Диагностика низкотемпературной плазмы по спектрам ее собственного излучения в СВЧ и субмиллиметровом диапазонах. М.: Энергоиздат, 1981, 134 с.
6. Энгель А. Ионизованные газы. М.: Физматгиз, 1959.
7. Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир, 1967, 832 с.
8. Рутберг Ф.Г. Генераторы плазменных струй и сильноточные дуги. Л.: Наука, 1973.
9. Кролл Н., Трайвелпилс А. Основы физики плазмы. М.: Мир, 1975, 528 с.

Составитель программы:
профессор Г.А. Марков

Зав. каф. электродинамики,
академик РАН, профессор В.И. Таланов