РУП Лицея31, курс Плазма и пучки заряженных частиц

1998 г.

МОУ Лицей №31 г.Челябинска с углубленным изучением математики, физики и информатики

Рабочая учебная программа спецкурса
ВВЕДЕНИЕ В ФИЗИКУ И ТЕХНИКУ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ И ПЛАЗМЫ
("СИЛЬНОТОЧНУЮ ФИЗИЧЕСКУЮ ЭЛЕКТРОНИКУ")

Горшков Алексей Владимирович
Инженер-физик, вып. МФТИ 1991 г.
сп. "прикладная математика и физика"
и асп. МФТИ 1995 г., сп. "физика и химия плазмы".
Старш. преп. каф. инф. ЮУрГУ с 1998 г.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ КУРСА

Ознакомить старшеклассников ФМЛ № 31 с физическими явлениями,  экспериментальными методами и техникой из области физики плазмы и пучков заряженных частиц, являющимися основой большинства современных передовых технологий ("High Technology").

ТРЕБОВАНИЯ К ПОСТУПАЮЩИМ НА КУРС

Желание познавать новое, не только "теоретически", но и "экспериментально".
Курс планируется на учащихся 9–11 классов МОУ СОШ №31. Могут быть даже ещё младше, 7–8 класс. Поэтому руководитель курса будет стараться избегать применения "старшеклассных" тем математики, но понимать графики функций и уметь решать алгебраические уравнения учащимся обязательно придётся. Учащимся 11 классов полезно (хотя и не обязательно) уже сейчас уметь дифференцировать, а к концу учебного года – также интегрировать.

Также приветствуется умение паять, не обжигая себе глаза и пальцы, и тыкать вольтметром и амперметром не куда попало, а куда надо. Однако если кто-либо этого ещё не умеет, то научим.

Также полезно (но не обязательно) уметь пользоваться ЭВМ (текстовые редакторы, электронные таблицы, графические редакторы, программирование на каком-либо из алгоритмических языков).

ЧТО НОВОГО ПРИОБРЕТУТ УЧАЩИЕСЯ

Школьники будут ознакомлены с основными понятиями и явлениями из области статистической физики, физики плазмы, ядерной физики, релятивистской механики. Будет проведён обзор считающихся в настоящее время наиболее важными качественных и некоторых количественных особенностей физических явлений, происходящих при движении заряженных частиц в вакууме, сплошных и гетерогенных средах. Затем будут рассмотрены способы измерения основных параметров, а также соответствующая экспериментальная техника. В заключение будут перечислены области практического применения разрядов, плазмы, пучков заряженных и нейтральных частиц, а также порождённых ими излучений.

Опыт решения простейших задач из физики плазмы и пучков заряженных частиц.

Опыт конструирования и измерения параметров простейших электронных схем низкого постоянного, высокочастотного и высокого напряжения.

Применение полученных так физических знаний в ходе экспериментов из области физки плазмы.

Основные способы математической обработки экспериментальных данных, в т.ч. оценка погрешностей измерений и результатов.

Практическое применение физики пучков и плазмы для решения технических задач (создание новых устройств, способов, применений).

СВЯЗЬ СО ШКОЛЬНЫМИ ПРЕДМЕТАМИ

Термодинамика и молекулярная физика, электричество и магнетизм,  оптика, основы "квантовой (волновой)" механики, основы ядерной физки, релятивистская механика.
Алгебра и начала математического анализа, основы теории вероятностей, программирование.

СОДЕРЖАНИЕ ПРОГРАММЫ

1. ПОНЯТИЕ О ПЛАЗМЕ.

Ионизация. Теорема Ирншоу. Теорема Пуассона. Понятие о распределении вообще. Распределение Больцмана. Концентрация. Квазинейтральность. Экранирование потенциала. Расстояние  Дебая–Хьюккеля. Определение плазмы. Ленгмюровская плазменная частота. Другие основные параметры плазмы. Пристеночный слой. Идеальная и неидеальная плазма. "Газовость". Стационарная и нестационарная плазма. Равновесная и неравновесная плазма. Однородная и неоднородная плазма. Изотропная и неизотропная плазма. Число Кнудсена. Столкновительная и бесстолкновительная плазма. Плазма в природе.

2. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПЛАЗМЕ.

"Кинетическое сечение" элементарного процесса. "Дифференциальное" сечение. Интегральные сечения, "транспортное" сечение. "Константа" кинетического процесса. Соударения электронов, атомов, молекул, положительных и отрицательных ионов между собой и с гамма-квантами. Упругие столкновения. Формула Резерфорда. Аномальное рассеяние, "убегающие электроны", эффект Рамзауэра. Неупругие переходы между электронными состояниями (возбуждение электронным ударом, возбуждение атомным ударом, девозбуждение). Ионизация электронным ударом, формула Томсона, формула Бёте для высоких энергий. Переходы между вращательными уровнями молекулы. Переходы между колебательными уровнями молекулы. Формула Ландау–Теллера. Диссоциативное прилипание. "Автоионизационное состояние". Диссоциативная рекомбинация. Диссоциация молекулы электронным ударом. Разрушение отрицательного иона электронным ударом. "Тройное" (трёхчастичное) прилипание. Тройная (трёхчастичная) рекомбинация, электрон-электрон-ионная рекомбинация, конверсия. Ионизация при атомном столкновении. Тушение при столкновении с молекулой. Ассоциативная ионизация. Процесс Пеннинга. Передача возбуждения. Спиновый обмен и изменение состояния сверхтонкой структуры. Переход между состояниями тонкой структуры. Деполяризация. Химические реакции. Образование молекул при тройных соударениях. Резонансная перезарядка. Нерезонансная перезарядка. Гипотетическая "трёхчастичная перезарядка". Взаимная нейтрализация ионов. Разрушение отрицательного иона при столкновении с атомом. Ион-молекулярные реакции. Превращение атомного иона в молекулярный ион при тройных столкновениях. Ион-ионная рекомбинация при тройных соударениях ("трёхчастичная ион-ионная рекомбинация"). "Отлипание" (отрыв от отрицательного иона)  электрона при столкновении с возбуждённым атомом. Отлипание при столкновении с нейтралами. Ступенчатая ионизация. Томсоновское (фотон-электронное) упругое рассеяние. Фотовозбуждение. Самопроизвольное (спонтанное) высвечивание. Вынужденное (индуцированное, "наведённое") излучение. Соотношение Эйнштейна для межуровневых переходов. Фотоионизация. Фоторазрушение. Фотодиссоциация. Электрон-ионная фоторекомбинация (излучательная рекомбинация). Радиационное прилипание. Молекулярная фоторекомбинация (точнее было бы называть "молекулярная фотоасоциация"). Тормозное излучение.

3. ЭМИССИЯ (ИСПУСКАНИЕ) ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ.

Эмиссия вследствие процессов ионизации газа. Термоэлектронная эмиссия Петрова–Эдисона–Столетова. Формула Ленгмюра. Формула Ричардсона–Дэшмана. Фотоэлектронная эмиссия Герца–Столетова. Оже-эмиссия ("автоионизация возбуждённого атома"). Туннельная ("автоэлектронная", "холодная") эмиссия Мандельштама–Леонтовича–Гамова. Формула Лукирского. Автоионизация (полевая ионизация). Термоавтоэлектронная эмиссия. Эффект Шоттки. Эффект Ноттингема. Дискуссия об аномальном эффекте Ноттингема. "Вторичные" электрон-электронная, ион-электронная, ион-ионная, электрон-ионная эмиссии Крукса, Таунсенда, Ленгмюра и др. Взрывная электронная эмиссия. "Чисто кулоновская" взрывная эмиссия. Ядерные реакции. Внутриядерная конверсия. Энергетический спектр сечений ядерных реакций, резонансы, формула Брейта–Вигнера. Рождение пар частица-античастица.

4. ФОРМЫ (ТИПЫ) РАЗРЯДОВ.

Самостоятельные и несамостоятельные разряды. Тихий (тёмный) разряд. Изотропный коронный разряд, кистевой коронный разряд. Тлеющий разряд Крукса–Астона–Гитторфа–Фарадея–Ленгмюра и его свойства (законы Пашена, Таунсенда, Геля, Ленгмюра и др.). Дуговой разряд Петрова и его свойства (закон Миткевича и др.). Взрыв проводника (разряд в металле). Взрывная эмиссия (автоэлектронный разряд) Месяца. Лавины, стримеры, искровой разряд и его свойства (закон Таунсенда и др.). Высокоскоростная волна ионизации. Скользящий разряд. Барьерный ВЧ разряд Варбурга. Факельный (одноэлектродный) ВЧ разряд. Индукционный ВЧ разряд. Разряд Пеннинга. Разряд с полым катодом. "Трансформаторный" НЧ разряд. Линейный индукционный разряд. Z-пинч (“линейный”), ;-пинч Тонкса–Кварцхавы, "плазменный фокус" Филиппова. Рекомбинационный разряд (разряд с поверхностной ионизацией, "Q-машина"). Дискуссия о вторично-эмиссионном разряде. "Резонаторный" и "радарный" СВЧ-разряды Капицы. Оптический разряд. Разряд Юткина в жидкости. Разряд в диэлектрике. Капиллярный разряд. Разряд в высоком вакууме ("вакуумная дуга"). Пробой физического вакуума ("анти-аннигляция"). Пучково-плазменные разряды Файнберга и Бугеля. Ядерно-радиационный разряд. Комбинированные разряды.

5. КРАТКО О ВАКУУМНО-ГАЗОВОЙ, КРИОГЕННОЙ, МАГНИТНОЙ ТЕХНИКЕ,
ТЕХНИКЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, ДАВЛЕНИЙ, СКОРОСТЕЙ,
О СВОЙСТВАХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

Применение вакуума и высокого давления в физическом эксперименте. Вакуумные диапазоны. Вакуумные насосы. Способы и устройства для измерения вакуума. Прочие вакуумные устройства (магистрали, вакуумные краны, вводы движений, вводы электрического напряжения и тока, вводы газов и жидкостей, ввод и вывод пучков и электромагнитного излучения). Вибрационная техника. Генераторы ультразвука. Сосуды высокого давления. Служба "Котлонадзор" и способы её удовлетворения. Взрывные камеры. Ударные трубы. Плазмотроны, ракетно-артиллерийские устройства. Кумулятивная струя. Способы и устройства защиты от перегрева, излучений, ударных волн, механических ударных нагрузок, кумулятивных струй. Криогенные диапазоны. Способы получения и измерения низких температур. Применение криогенной техники в физическом эксперименте. Постоянные магниты. Постоянные и низкочастотные электромагниты, в т.ч. криогенные. ВЧ и импульсные электромагниты. Их применение в физическом эксперименте. Механическая прочность, жаропрочность, хладостойкость, газовая непроницаемость, химическая инертность (стойкость и биологическая безопасность), электрические и магнитные свойства, оптические свойства, ядерно-физические свойства. Служба строительного надзора. Служба противопожарного надзора.

6. ТЕХНИКА ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ, БОЛЬШИХ ТОКОВ, ВЫСОКИХ ЧАСТОТ И КОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ, СИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ.

Основы радиотехники. Вольт-амперная характеристика (ВАХ). ВАХ радиотехнических элементов. Источники тока и источники напряжения. Импеданс, формулы Кирхгофа, согласование участков цепей. Распространение сигналов по длинным линиям. Типичные схемы НЧ, ВЧ, СВЧ, импульсных задающих и силовых генераторов. Усилители. Операционные усилители. Фильтры. Модуляторы. Батарея ("вольтов столб") Петрова. Высоковольтный трансформатор. Импульсный трансформатор. Генераторы импульсного напряжения Румкорфа, Пика, Тесла. Формирователь прямоугольных импульсов на "длинной линии". Трибоэлектрический генератор фон¬_Герике–Нолле, "электрофорная машина" Уимшерста. Пьезоэлектрический генератор. Фотоэлектрический генератор. Термоэлектрический генератор. Термоэмиссионный генератор. Униполярный генератор. Многоступенчатые пьезоэлектрические, фотоэлектрические, термоэлектрические, термоэмиссионные, униполярные генераторы. Параметрическая машина Мандельштама–Папалекси. Роторный генератор постоянного тока Гохберга–Иоффе–Фелиси. Удвоитель напряжения. Умножители напряжения Кокрофта–Уолтона и Грейнауера–Хейлперна. Высокочастотный каскадный "динамитрон" Шенкеля. Каскадный трансформатор Гусева–Комара. Каскадный генератор импульсного напряжения Аркадьева–Баклина–Маркса. Генератор постоянного напряжения Угримова–Ван-дер-Граафа. Взрывные ЭМ генераторы. МГД-генераторы. Сверхпроводящие генераторы. Высоковольтные сильноточные коммутаторы и прерыватели. Служба электробезопасности. Служба радионадзора.

7. ФОРМИРОВАНИЕ И УСКОРЕНИЕ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ (П.З.Ч.).

• ФОРМИРОВАНИЕ. Эмиттеры ("испускатели") электронов. Эмиттеры положительных ионов. Эмиттеры отрицательных ионов. Эмиттеры нейтральных атомов и молекул. Генераторы нейтронных пучков. Генерация пучков античастиц. Движение заряженных и нейтральных частиц в электрическом, магнитном, ядерном, гравитационном полях. Сепарация (разделение) многокомпонентных пучков частиц (ПЧ). Основные параметры ПЗЧ. Распределение ПЧ во многомерных траекторном и фазовом пространствах. Яркость, эмиттанс ("испускательность"), акцептанс ("приёмистость" , "вхождаемость"). Уравнения Максвелла. "Электромагнитная оптика" ПЗЧ. Теорема Бурша. Теорема Лиувилля. Пучки с ненулевым эмиттансом. Устройства для инжекции ("впрыскивания") пучков в газ и жидкость.

• ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ. УСКОРИТЕЛИ ПРЯМОГО ДЕЙСТВИЯ ("высоковольтные"):  "классические"; сильноточный электронный ускоритель с индуктивным накопителем и модуляцией тока ЭП Гусева–Комара; перезарядные ионные ускорители Беннетта ("тандем", "двойной тандем"). ЛУ С ДРЕЙФОВЫМИ ТРУБКАМИ (ВЧ резонансные) Изинга–Видероэ, в т.ч. с ВЧ проводами, ультрарелятивистский, СВЧ ЛУ Альвареса. ЛИНЕЙНЫЕ ИНДУКЦИОННЫЕ УСКОРИТЕЛИ: индукторный Кристофилоса; с модуляцией тока пучка Гусева–Комара; безындукторный с разрядными промежутками. РЕЗОНАТОРНЫЕ ЛУ : с отдельными резонаторами;  со стоячей волной Альвареца; со связанными резонаторами; ЛУ с бегущей волной (и его разновидности); со сверхпроводящими резонаторами.

• ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ С ПОСТОЯННЫМ ПО ВРЕМЕНИ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ. Условия устойчивости частицы в фазовом пространстве. ЦИКЛОТРОНЫ:  классический субрелятивистский Лоуренса (и его разновидности); изохронный циклотрон с азимутальной вариацией магнитного поля Томаса (и его разновидности). Краевая фокусировка. Мягкая фокусировка; жёсткая фокусировка Кристофилоса–Ливингстона–Куранта–Снайдера. СИНХРОЦИКЛОТРОН ("ФАЗОТРОН") с автофазировкой Векслера–Мак-Миллана. МИКРОТРОН Векслера электронный релятивистский с автофазировкой; вариант Швангера.

• ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ С ПЕРЕМЕННЫМ ПО ВРЕМЕНИ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ и автофазировкой.  СИНХРОТРОН (и его разновидности с мягкой фокусировкой, с жёсткой фокусировкой). Инжекция пучка в синхротрон. Вывод пучка из синхротрона. СИНХРОФАЗОТРОН; "ультрарелятивистский синхрофазотрон-синхротрон". БЕТАТРОН ("беватрон") Керста и его разновидности. Проект использования тета-пинча в качестве ускорителя.

• ЦИКЛИЧЕСКИЕ УСКОРИТЕЛИ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОВОРАЧИВАЮЩИМ ПОЛЕМ. УСКОРИТЕЛЬ С ВНЕШНИМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПОЛЕМ. ПРОЕКТЫ УСКОРИТЕЛЕЙ С УДЕРЖАНИЕМ ВЫСОКОЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ СТЕНКОЙ: с проводником, с криогенным проводником, со сверхпроводящим проводником, с плазменной стенкой, с гетерогенной плазменной стенкой, со стенкой из низкоэнергетичного сильноточного пучка.

• СПОСОБ КОЛЛЕКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ИОНОВ Векслера–Саранцева. "Облако". "Кольцо" Векслера. "Луч" Комара. "Виртуальный катод" Рухадзе. "Волны плотности электронного пучка в магнитном поле". "Плазменные волны". "Перераспределение энергии (автоускорение)". Другие разновидности: "серфинг"-ускоритель; ускоритель со схлопывающейся волной Дыхне (обращенный эффект Черенкова–Вавилова); и др.

• ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-ВОЛНОВЫЕ ускорители. В продольном поле, в поперечном поле. СВЧ, СБММ мазеры. ИК, видимые, УФ, рентгеновские, проектируемые гамма лазеры. В вакууме, в плазме, в нелинейных средах и др.

• УСКОРИТЕЛИ СО ВСТРЕЧНЫМИ ПУЧКАМИ Керста–Будкера.

8. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПУЧКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ С ВЕЩЕСТВОМ. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ В ПЛАЗМЕ, ОБРАЗОВАННОЙ РАЗРЯДАМИ И ПУЧКАМИ, А ТАКЖЕ некоторые аналогичные явления В ЭЛЕКТРОЛИТАХ, МЕТАЛЛАХ, ПОЛУПРОВОДНИКАХ, ДИЭЛЕКТРИКАХ И АТОМНОМ ЯДРЕ.

• НЕОГРАНИЧЕННАЯ ПЛАЗМА БЕЗ ПУЧКА. Распределения компонент плазмы по импульсам, по энергиям. Формула Саха. Упругие и неупругие столкновения. Рассеяние. Формула Резерфорда. Формула Томсона. Аномальное рассеяние, "убегание" электронов, эффект Рамзауэра. Соотношение Эйнштейна для подвижности. Диффузия. Диамагнетизм. Теплоперенос. Ионизационная теплопроводность. Электропроводность. Ларморовские частота и радиус. Синхротронное ("циклотронное") излучение плазмы. Коллективные явления в плазме. Электростатические волны, плазменная (Ленгмюровская) частота. Ионный звук. Затухание Ландау. МГД волны Альфвена. Ударные волны. Солитоны. Взаимодействие электромагнитного излучения с плазмой. Оптические свойства плазмы. "Толстый" и "тонкий" слой. Показатель преломления плазмы. Сдвиг фазы. Отсечка. Скин-слой. Уширение спектральных линий. Фарадеево вращение плоскости поляризации. Контракция (стягивание). Перетяжечная неустойчивость Трубникова–Леонтовича–Осовца. Стратификация (расслоение). Винтовая неустойчивость. Влияние гравитационного поля на плазму. Таунсендовский пробой. Стримерный пробой. Дискуссия о "серфинге" электронов в высокоскоростной волне ионизации. Явление "отрицательной проводимости".

• ПУЧОК И ПЛАЗМА. Распределение частиц пучка в фазовом пространстве. Самофокусировка. Предел Альфвена–Лоусона–Рухадзе. Зарядовая и токовая компенсация. Перегревно-токовая неустойчивость. Змейковая неустойчивость. Желобковая неустойчивость. Пучково-плазменная неустойчивость Файнберга. Токовая неустойчивость Бугеля. Другие неустойчивости пучков и плазмы. Тормозное и характеристическое излучение. Формулы Бёте–Блоха и Томаса–Ферми. Синхротронное излучение пучка и плазмы. Излучение Черенкова–Вавилова.

• ПРИГРАНИЧНЫЕ И ПОДПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭФФЕКТЫ. Переходное излучение. Амбиполярная диффузия. Поверхностное натяжение. Виды вторичной эмиссии. Эффект Молтера. Автоионизация (полевая ионизация). Механическое воздействие на конденсированную фазу. Глубина торможения. "Кинжальный" режим взаимодействия. Автоколебательный режим разрушения материала и дискуссия о его механизме. Изменения свойств поверхности. Пристеночный слой Ленгмюра–Тонкса–Бома. Формула Бома. Самопроизвольная оптическая эмиссия. Особенности взаимодействия пучков с кристаллическими твёрдыми телами. Каналирование. Другие явления.

9. ОСОБЕННОСТИ ГЕТЕРОГЕННОЙ ПЛАЗМЫ.

Плазмохимические реакторы в энергетике, промышленности и природе. Механика аэрозоля. Поверхностные и кинетические эффекты. Особенности основных параметров гетерогенной плазмы. Особенности радиуса Дебая–Хьюккеля. Особенности амбиполярной диффузии. Особенности соотношения Эйнштейна. Формула Смолуховского. Формула Ланжевена. Особенности оптического излучения гетерогенной плазмы. Дрейфовые волны в неоднородной плазме. Периодические структуры. Поляризация аэрозоля. Структуры с "псевдофрактальной" (псевдо-дробной в смысле Безиковича–Хаусдорфа) размерностью. Дискуссия о возможности "аномально высокой положительной зарядки", "вторично-эмиссионного разряда", "гистерезиса концентраций". Наблюдения "шаровой молнии", статистика свойств по Стаханову и другим. Дискуссия об известных моделях ШМ (плазменная, аэрозольно-плазменная, аэрозольно-плазмохимическая, гидрокластерная, фрактально-ёмкостная, "вторично-эмиссионная аэрозольно-плазменная", "ридберговская"  и др.) и о способах её лабораторного получения.

10.   БИОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ. ПРАВИЛА БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ.

Механические, термические, химические, генетические и др. последствия воздействий на живые объекты электрического тока, постоянных и высокочастотных электромагнитных полей и излучений, лазерного излучения, высоких и низких температур, высоких и низких давлений, ультразвука, звука и инфразвука, больших ускорений, ядерных излучений. Способы и устройства для предупреждения, обнаружения, защиты и устранения последствий таких воздействий. Санитарно-эпидемиологическая служба. Правила безопасного производства работ.

11. СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
РАЗРЯДОВ, ПУЧКОВ, ПЛАЗМЫ, ИЗЛУЧЕНИЙ.

Цели измерения параметров разрядов, ПЗЧ, плазмы и сечений элементарных процессов.

• МАКРОСКОПИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ. Шунты. Омические делители. Ёмкостные делители. Компенсированные делители. Пояс Роговского. Коллекторы. Счётчики. Калориметры. Магнитные зонды. СКВИДы. Мишени и пробежные спектрометры. Трековые эмульсии и камеры. Фотоэлектронные умножители. Сцинтилляторы. Анализ продуктов ядерных реакций. 

• ЛОКАЛЬНЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ, РАСПРЕДЕЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРЫ. Электрические зонды и их разновидности. Метод Дрюйвестайна. Масс-спектрометры. Эмиссионная и трансмиссионная оптическая, УФ, ИК и СБММ спектроскопия. Оптические, УФ, ИК и CБММ интерферометры. CВЧ методы диагностики (отсечки, фазовой локации, резонаторы,  многохордовое и многомодовое зондирование, ОБР). Акустическая диагностика неравновесной плазмы. Рентгеновские спектроскопия и зондирование. Спектроскопия синхротронного и черенковского излучения. Корпускулярная диагностика ПЗЧ и плазмы. Анализ спектров лазерного рассеяния. Резонансные оптические и др. методы.

• ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ. Камера-обскура (pinhole camera). Экраны. Перемещаемые экраны и зонды. Матрицы детекторов. ПЗС-матрицы. Типы видеокамер. Микроканальные пластины. Электронно-оптический преобразователь. Газоразрядный усилитель изображения. Микрополосковые камеры. Методы измерения распределений в фазовом пространстве.  Пузырьковые и туманные камеры. Дрейфовые камеры. Устройства для получения рентгеновских и гамма-изображений объектов. Интерференционные методы визуализации. Рентгеновская оптика. Другие способы и устройства и диапазоны их применимости.

12. СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.

• ПОЧТИ ФИЛОСОФИЯ. Дискуссия о соотношении между экспериментом и теорией. Дискуссия о "прямых" и "косвенных" измерениях. Система эталонов (образцов) и измерение параметров объекта. О дискуссии "о системах измерений (единиц)".  Дискуссия между "классической" и двумя вариантами "волновой , квантовой" механики об измерении.

• СТАТИСТИКА И ПРОГНОЗ. Основы теории вероятности. Понятие о распределении. Статистический анализ экспериментальных данных. Корреляционный анализ. Цепи. Цепь Маркова. Экстраполяция (предсказание). Критерии оптимизации. Алгоритмы экстраполяции. Связь с криптологией. Связь с квантовой механикой.  Планирование условий эксперимента.

• ТОМОГРАФИЯ, СВЕРХРАЗРЕШЕНИЕ, ФИЛЬТРАЦИЯ, РАСПОЗНАВАНИЕ. Принцип реконструктивной томографии (РТ). Теорема Радона. Основные типы задач РТ. Метод Бокажа, метод Ван Циттерта, метод Пирса. Многомерная томография. Физические способы получения одномерных проекций. Схемы сканирования. Аналоговая и цифровая вычислительная РТ. Устройства для трёхмерной визуализации предметов (объектов). Методы, алгоритмы и устройства для задач восстановления искаженных данных. Сверхразрешение cигналов и изображений. Пределы Рэлея, Косарева–Шеннона и Горелика–Котельникова. Дискуссия о пределе Гайзенберга. Оптимальная фильтрация зашумленного сигнала. Теорема Хинчина-Винера. Распознавание сигналов и образов.

• МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СРЕДСТВА КУРСА. Скаляр, вектор, матрица; тензоры более высоких рангов. Производная, ряд, интеграл. Функции от многих переменных. Скалярное произведение. Свёртка. Векторное произведение. Матрицы со специальными свойствами. Неособенные матрицы. Определитель матрицы, минор, разложение определителя по минорам. Собственные значения. Ряд Тейлора и Маклорена. Комплексные числа. Функции комплексного переменного. Производные и интегралы функций комплексного переменного. Теоремы о вычетах. Методы интегральных преобразований (в том числе аналитической деконволюции свёртки). Ряд Фурье. Преобразование Лапласа. Прямое и обратное преобразования Фурье, Хартли, Уолша. Термин "быстрые" алгоритмы. Частные случаи: наличие симметрий, наличие разделения переменных в функциональном ядре, целочисленные задачи, двоичные задачи и др. Некорректно поставленные по Адамару задачи математической физики. Метод Галёркина–Ритца. Теорема Котельникова о дискретизации и восстановлении функции с ограниченным Фурье-спектром. Метод регуляризации Тихонова. Неособенные и сингулярные (особенные) задачи. Обзор и сравнение методов решения систем линейных алгебраических уравнений. Метод Крамера. Методы исключения Гаусса. Метод последовательной ортогонализации Грама–Шмидта. Нахождение вектора собственных значений матрицы. Теорема Клюева–Коковкина-Щербака о количестве вычислительных операций неитерационных методов. Понятие о пространстве. Поле. Итерационные методы. Покоординатный спуск. Градиентный спуск. Наискорейший спуск. Метод Монте-Карло. Прямое обращение матрицы. Псевдообратная матрица. Невязка. Критерий наименьших квадратов. Энтропия (в математике). Критерий максимума энтропии. Ряд Неймана. Понятие о теореме Кэли–Гамильтона. Теорема Банаха о сжимающих отображениях. Метод Качмажа. Итерационное обращение матрицы. Итерационное нахождение вектора собственных значений матрицы. Метод Бочека. Метод максимума правдоподобия Тараско. Метод максимума энтропии Фридена. Итерационная ортогонализация. Метод Абрамова. Другие методы.

• Синтезирование апертуры для генерации слаборасходящейся волны.

• Прочие задачи экспериментальной физики, требующие значительной математической обработки исходных данных.

13. ПРИМЕНЕНИЕ ПЛАЗМЫ, РАЗРЯДОВ, ПУЧКОВ,
ПОРОЖДЁННЫХ ИМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ.

ФИЗИЧЕСКИЕ И АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теплофизические и газодинамические исследования. Синтез и разложение изотопов химических элементов. Анализ свойств поверхности. Анализ атомной структуры кристаллов и молекул. Анализ структуры атомных оболочек. Анализ структуры атомного ядра. Анализ структуры элементарных частиц.

ХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. Плазмохимические реакторы. Синтез и разложение веществ.

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И МЕДИЦИНСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ. Биологическое воздействие ПЗЧ и нейтральных частиц и сопутствующих излучений. Медицинские применения.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРИМЕНЕНИЯ. Общие применения концентрированных потоков энергии. Технологические процессы на основе мощных электронных пучков. Генераторы и усилители НЧ, ВЧ, СВЧ, СБММ электромагнитных волн. Обзор типов лазерных и мазерных устройств. Энергетика (преобразование, накопление, передача). Обзор способов и устройств для управляемого термоядерного синтеза. Транспорт, авиация и космонавтика, флот. Ионные и электрореактивные двигатели. Инжекция ПЗЧ в атмосферу и ионосферу Земли. Экология, очистка среды от вредных примесей. Добывающая промышленность. Связь. Просвечивание макротел. Микроскопия. Электронно- и ионно-лучевая и нейтронная технология. Размерная обработка. Изменение свойств поверхности. Внедрение ионов. Наращивание плёнок. Генераторы ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучений. Технологические процессы с использованием позитронных пучков. Микроэлектронные технологии. Изменение свойств веществ.

Оборонные применения. Другие применения.


ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

№ Тема Лекционных часов Реше-ние задач Лабо-ратор-ных Само-стоя-тель-ное чтение, реше-ние и твор-чество
1 Понятие о плазме 4 2 2 2
2 Элементарные процессы в плазме 4 2 0 2
3 Эмиссия заряженных частиц 4 2 0 2
4 Формы (типы) разрядов 6 2 6 2
5 Кратко о вакуумно-газовой, криогенной, магнитной технике, технике высоких температур, давлений, скоростей, о свойствах конструкционных материалов 4 2 4 2
6 Техника генерации высоких напряжений, больших токов, высоких частот и коротких импульсов, сильных электромагнитных полей 10 4 20 4
7 Формирование и ускорение пучков заряженных частиц 8 4 0 6
8 Взаимодействие ПЗЧ с веществом. Физические явления в плазме, образованной разрядами и пучками. 10 4 4 4
9 Особенности гетерогенной плазмы. 4 2 0 0
10 Биофизические и биохимические явления при воздействии потоков энергии на биологические объекты. Правила безопасной работы. 4 2 2 2
11 Способы и устройства для диагностики разрядов, пучков, плазмы, излучений. 10 4 10 2
12 Математические способы обработки данных физического эксперимента. 10 4 10 10
13 Применение плазмы, разрядов, пучков, порождённых ими электромагнитных излучений. 4 2 6 10
ВСЕГО 82 36 64 48



СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ, РЕКОМЕНДУЕМОЙ УЧАЩИМСЯ
1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.3. Электричество и магнетизм.
2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5 Ч.1. Атомная физика.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.5. Ч.2. Ядерная физика.
4. Гольдин, Новикова. Введение в квантовую физику.
5. Белонучкин. Относительно относительности.
6. Коротеев. Введение в физику и технику релятивистских электронных пучков.
7. Гнеденко, Хинчин. Элементарное введение в теорию вероятностей.
8. Физический энциклопедический словарь.
9. Смирнов Б.М. Введение в физику плазмы.
10. Смирнов Б.М. Шаровая молния.
11. Стаханов. Шаровая молния.
12. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники.
13. Никеров. Электронные пучки за работой.
14. Комар. Основы ускорительной техники.
15. Арцимович. Введение в физику плазмы.
16. Кролл, Трайвелпис. Введение в физику плазмы.
17. Калинин. Термоядерный реактор будущего.
18. Воронов Г.С. Штурм термоядерной крепости. Сер.: Библиотечка “Квант”. Вып.37. М., Наука, 1985. С.192.

ФОРМЫ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ
1. Чтение рекомендованной литературы, журналов, а также поиск в Internet.
2. Решение домашних задач.
3. Конструирование лабораторных устройств.
4. Составление отчётов об исследованиях, подготовка плакатов, докладов.

ФОРМЫ ПРОВЕРКИ УСВОЕНИЯ СПЕЦКУРСА
1. Устный опрос.
2. Решение задач.
3. Проверка выполнения лабораторных заданий.
4. Защита отчётов о выполненных конструкциях и исследованиях.

(1998 г.)