Источники заряженных частиц

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
Источники заряженных частиц
Виды учебной деятельности и временной ресурс
Лекции
32 часа (16 лекций)
Лабораторные занятия
16 часов (4 лабораторных работы).
Практические занятия
16 часов.
Преподаватель – д.ф.-м.н., проф. А.И. Пушкарев
http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH
1
Нечетная после ломки
Время Понедельник
Вторник
08:30
10:25
Ист.заряж.частиц
11-312 ЛК
12:20
Время Понедельник
08:30
Среда
Четверг
Пятница
Ист.заряж.частиц
11-312 ЛК
Ист.заряж.частиц
ЛБ
Ист.заряж.частиц
Ист.заряж.частиц
ЛБ 4Т21
ЛБ 4Т21
Четная после ломки
Вторник
Среда
Ист.заряж.частиц
11-312
ЛК 4Т21
10:25
Ист.заряж.частиц
ЛБ 4Т21
12:20
Ист.заряж.частиц
ЛБ 4Т21
Четверг
Пятница
Ист.заряж.частиц
11-312
ЛК 4Т21
2
Лабораторные работы
по курсу «Источники заряженных частиц»
1. Тепловизионная диагностика мощного ионного пучка.
2. Времяпролетная диагностика параметров мощного ионного пучка.
3. Тепловизионная диагностика импульсного электронного пучка.
4. Исследование режима работы и баланса энергии в генераторе мощных ионных
пучков ТЕМП-4М.
5. Исследование динамики импеданса диода со взрывоэмиссионным катодом в
двухимпульсном режиме
6. Исследование стабильности работы ионного ускорителя ТЕМП-4М
7. Формирование радиационных центров окраски при воздействии импульсного
электронного пучка.
3
Лекция 1. Вводная
Введение.
Содержание курса.
Основные характеристики пучков частиц: флюэнс, поток, плотность энергии,
мощность флюэнса и плотность потока.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Единицы измерения основных дозиметрических величин в СИ и наиболее
часто используемые внесистемные единицы: рад, рентген.
4
В качестве мощных потоков энергии для пучково-плазменных технологий
используют:
1. Мощные ионные пучки
2. Сильноточные электронные пучки
3. Импульсные источники плазмы (компрессионные источники и др.)
4. Импульсные лазеры
5
Области использования источников заряженных
частиц
Мощные ионные и электронные пучки являются уникальным инструментом для
модификации металлических изделий.
Они обеспечивают высокие скорости нагрева и последующего охлаждения их
приповерхностного слоя, превышающие 107-109 К/с.
Давление в области поглощения МИП достигает 108-1010 Па.
При этом образуются твердые растворы и вторичные фазы, не характерные
для равновесной диаграммы фазовых состояний.
Данный метод имеет более широкие возможности модификации структуры и
свойств приповерхностного слоя по сравнению с термической обработкой,
поверхностным пластическим деформированием и др.
6
Области использования пучково-плазменных технологий
Приоритетные направления развития науки, технологий и техники РФ
1. Индустрия наносистем и материалов
2. Транспортные, авиационные и космические системы
Перечень критических технологий РФ
1. Нанотехнологии и наноматериалы
2. Технологии создания и обработки композиционных и керамических материалов
3. Технологии создания и обработки кристаллических материалов
4. Технологии создания электронной компонентной базы
5. Технологии создания биосовместимых материалов
7
К основным приоритетным направлениям развития ТПУ относятся:
1. Рациональное природопользование и глубокая переработка
природных ресурсов (Институт природных ресурсов ИПР)
2. Традиционная и атомная энергетика, альтернативные технологии
производства энергии (Физико-технический институт ФТИ)
3. Нанотехнологии и пучково-плазменные технологии создания
материалов с заданными свойствами (ИФВТ).
4. Интеллектуальные информационно-телекоммуникационные системы
мониторинга и управления.
5. Неразрушающий контроль и диагностика в производственной
и социальной сферах.
8
Модифицирование технологических изделий высокоэнергетическими
пучками (мощными ионными и электронными пучками, лазерным
излучением) позволяет получать в поверхностных слоях материалов
составы и структуры, недоступные ни одному из традиционных
металлургических способов.
При этом образуются твердые растворы и вторичные фазы, не
характерные для равновесной диаграммы фазовых состояний.
Сочетание высокого пресыщения твердого раствора, дисперсного,
структурного и субструктурного строения создает уникальные эффекты
повышения поверхностной прочности, износостойкости и улучшения других
свойств материалов
9
Ablation plasma
Action mechanism
Melt region
Stress wave
Cooling by thermal conduction
A
HPIB
Stress wave
Ion
range
10
Радиационно-пучковое модифицирование металлических изделий мощными
пучками обеспечивает высокие скорости нагрева и последующего охлаждения
их приповерхностного слоя, превышающие 107-108 К/с.
Динамика изменения температуры в медной мишени при поглощении МИП.
11
Давление в области поглощения МИП достигает 108-1010 Па.
12
Dependence of maximum beam generated pressure in the target on the input energy density
Effect of HPIB on target
0.4
1
3
13
Лекция 1. Вводная
Введение.
Содержание курса.
Основные характеристики пучков частиц: флюэнс, поток, плотность энергии,
мощность флюэнса и плотность потока.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Единицы измерения основных дозиметрических величин в СИ и наиболее
часто используемые внесистемные единицы: рад, рентген.
14
КУРС ЛЕКЦИЙ «Источники заряженных частиц»
Лекция 1. Введение. Содержание курса. Основные характеристики поля
излучения: флюэнс, поток, плотность энергии, мощность флюэнса и
плотность потока. Энергетические и угловые распределения характеристик
полей излучения.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза. Единицы измерения основных
дозиметрических величин в СИ и наиболее часто используемые
внесистемные единицы: рад, рентген
15
Лекция 2. Взаимодействие электронного пучка с твердым
телом (одноэлектронное приближение).
Процессы, происходящие в
воздействии пучков заряженных
процессами.
конденсированных материалах при
частиц, называют радиационными
1.
Временные стадии радиационных процессов.
2.
Пространственная структура треков электронов.
3. Классификация процессов взаимодействия электронов с
веществом.
4.
Пробег электронов
5. Распределение энергии электронного пучка и поглощенной дозы
по глубине образца
6.
Расчет энергии тормозного излучения
16
Лекция 3. Взаимодействие ионов с поверхностью твердых тел
1. Виды взаимодействия ионов с твердым телом
2. Пространственная структура треков
3. Удельные (линейные) потери энергии
4. Классификация механизмов взаимодействия ионов
5. Радиационные дефекты
17
Лекция 4. Электронные ускорители для пучково-плазменных
технологий.
1. Классификация электронных ускорителей
2. Наносекундные ускорители с емкостным накопителем энергии
3. Наносекундные ускорители с индуктивным накопителем энергии
4. SOS – эффект
5. Частотные наносекундные ускорители электронов серии S, SM и УРТ
6. Линейные электронные ускорители серии ЭЛВ
18
Лекция 5. Электронные ускорители для пучково-плазменных
технологий. Часть 2
1. Электронные ускорители для накачки XeCl-лазера
2. Импульсные электронные ускорители GESA
3. Наносекундный импульсный генератор NS-PG
4. Импульсный электронный ускоритель ДУЭТ
19
Лекция 6. Электронные ускорители для пучково-плазменных
технологий. Часть 3
•
Генераторы низкоэнергетичных сильноточных электронных пучков
•
Установки электронно-лучевого распыления НАНОБИМ
•
Compression plasma flows
•
Газоструйный плазмохимический метод
20
Лекции 7-9. Генерация мощных ионных пучков
Principal problems of High-Power Pulsed Ion Beam
formation
1.
Generation of ion current is significantly higher than for
bipolar current (Ii > Ie)
2.
Formation of dense, uniform plasma at the anode
(ni > 1014 cm-3)
Лекции 10-12. Diagnostic Equipment of High-current
Pulsed Ion Beams
1. Faraday cup
2. Time-of-flight diagnostics
3. Thomson Parabola spectrometer
4. Thermal imaging diagnostics of powerful ion beams
5. Acoustic diagnostics
6. Pin-diode
7. Measurement of ion beam divergence
8. Analysis of correctness of diagnostic of high current pulsed ion beam by
ion current density
22
Лекция 1. Вводная
Введение.
Содержание курса.
Основные характеристики пучков частиц: флюэнс, поток, плотность
энергии, мощность флюэнса и плотность потока.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Единицы измерения основных дозиметрических величин в СИ и наиболее
часто используемые внесистемные единицы: рад, рентген.
http://portal.main.tpu.ru:7777/SHARED/a/AIPUSH
23
1. Основные характеристики пучков частиц: флюенс, поток, мощность
флюенса и плотность потока, плотность энергии.
Флюенсом частиц (потоком частиц) называют отношение числа частиц dN,
пересёкших перпендикулярную пучку элементарную площадку dS за данный
промежуток времени, к площади этой площадки.
dN
Фn 
dS
Единицы измерения — м−2 (СИ), 1 м−2 — такой флюенс, при котором в объём
сферы с площадью поперечного сечения 1 м² попадает одна частица.
Мощность флюенса частиц (плотность потока частиц) определяется как
производная по времени от флюенса, накопленного за время t:
dФN (t )
фn 
dt
24
2. Концепция дозы и определения основных дозиметрических
величин: поглощенная доза, экспозиционная доза.
Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Санитарные правила
и нормативы
Основные радиологические величины и единицы
Величина
Наименование и обозначение
единицы измерения
Си
Соотношения между
единицами
Внесистемные
Поглощенная
доза, D
Грей (Гр, Gy)
Рад (рад, rad)
1 рад-10-2 Гр
1 Гр=1 Дж/кг
Эквивалентная
доза, Н
Зиверт (Зв, Sv)
Бэр (бэр, rem)
1 бэр=10-2 Зв
1 Зв=100 бэр
Экспозиционная доза, X
Кулон/кг
(Кл/кг, C/kg)
Рентген (Р, R)
1 Р=2.58·10-4 Кл/кг
1 Кл/кг=3.88·103 Р
25
Поглощенная доза (D) - основная дозиметрическая величина.
Она равна отношению средней энергии dE, переданной ионизирующим
излучением веществу в элементарном объеме, к массе dm вещества в этом
объеме :
D = dE/dm
В единицах системы СИ поглощенная доза измеряется в джоулях,
деленных на килограмм (Дж/кг), и имеет специальное название — Грэй (Гр).
Внесистемная единица Рад определялась как поглощенная доза любого
ионизирующего излучения, равная 100 эрг на 1 грамм облученного вещества.
Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.
26
Эквивалентная доза - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на
соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения:
НT,R = W R  DT,R
Для рентгеновского излучения WR = 1.
Единица эквивалентной дозы - зиверт, Зв.
Использовавшаяся ранее внесистемная единица бэр равна 0,01 Зв
или 1 Зв = 100 бэр.
27
Экспозиционная доза (X). В качестве количественной меры
рентгеновского и γ-излучения принято использовать во внесистемных
единицах экспозиционную дозу, определяемую зарядом вторичных частиц
(dQ), образующихся в массе вещества (dm) при полном торможении всех
заряженных частиц :
X = dQ/dm
Единица экспозиционной дозы - Рентген (Р).
Рентген - это экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения,
создающая в 1куб. см воздуха при температуре 0°С и давлении 760 мм рт.
ст. суммарный заряд ионов одного знака в одну электростатическую
единицу количества электричества (в системе СГС).
Экспозиционной дозе 1 Р соответствует 2.08·109 пар ионов
28
Удельными потерями энергии (линейные потери энергии) или линейной
тормозной способностью вещества S называются потери частицей энергии на
единицу пути:
S 
dE
dx
Принято измерять удельные потери энергии в МэВ/см.
Удельная ионизация — это число пар ионов, образующихся в веществе на
единице длины пробега. Удельная ионизация U и удельные потери энергии S связаны
соотношением:
S
U
W
где W — средняя энергия, затрачиваемая на образование одной пары ионов.
29
Лекция 1. Вводная
Введение.
Содержание курса.
Основные характеристики пучков частиц: флюэнс, поток, плотность энергии,
мощность флюэнса и плотность потока.
Концепция дозы и определения основных дозиметрических величин:
поглощенная доза, экспозиционная доза.
Единицы измерения основных дозиметрических величин в СИ и наиболее
часто используемые внесистемные единицы: рад, рентген.
30