等离子体诊断原理与技术  021M2044H

学期:2017—2018学年(春)第二学期 | 课程属性:一级学科普及课 | 任课教师:李玉同,贾凤东
授课时间: 星期三, 第5、6、7节
授课地点: 教1-132
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16
课程编号: 021M2044H 课时: 42 学分: 2.0
课程属性: 一级学科普及课 主讲教师:李玉同,贾凤东
英文名称: Principles and technology of plasma diagnostics

教学目的、要求

本课程为等离子体物理学及相关学科的专业普及课。本课程的主要内容是关于等离子体诊断的原理与技术。主要讲授等离子体的产生方法,主要参量及其诊断的原理和方法。涉及到的等离子体主要有各种聚变的高温等离子体、激光等离子体和工业上的低温等离子体。通过本课程的学习,使学生掌握等离子体诊断的基本原理和相关技术,要求能够针对不同类型的等离子体以及测量目标,选取合适的诊断方法,培养学生联系实际分析问题、解决问题的能力,为今后的科研及教学打下基础。

预修课程

普通物理,原子物理,光学,电动力学,等离子体物理导论。

教 材

主要内容

第一章 等离子体简介(3学时)
	教学目标:本章介绍等离子体的基本概念,等离子体的研究方法,等离子体的各种分类,常见等离子体的产生方式,重点学习等离子体诊断在研究等离子体物理中的重要性。
主要内容如下:
1. 等离子体的概念
2.等离子体的基本参量
3.等离子体的研究方法
4. 等离子体的分类
5. 等离子体诊断方法概述

第二章 等离子体诊断原理(12学时)
教学目标:本章是课程的重点,将学习等离子体基本参量的诊断原理,然后分类详细学习等离子体产生的电场和磁场的诊断,利用等离子体的电磁辐射特性对等离子体进行诊断,通过对等离子体产生的粒子诊断获得等离子体的信息。
主要内容如下:
1.	基本参量的诊断原理
2.	等离子体电场和磁场的诊断原理
3.	等离子体的电磁辐射诊断原理
4.	等离子体粒子的诊断原理
5.	宏观参量的诊断原理

第三章 常用探测器和设备(6学时)
    教学目标:本章将详细介绍和学习在等离子体诊断中常用的探测器和设备,包括伽马射线、x射线、光学、红外和太赫兹等电磁辐射探测器和设备;离子、电子和中子等粒子探测器和设备。
主要内容如下:
1.	光学探测器和设备
2.	X射线探测器和设备
3.	带电粒子探测器和设备
4.	中子探测器和设备
5.	超高时空分辨探测设备

第四章 激光等离子体的诊断方法和技术(6学时)
教学目标:物质在高强度脉冲激光的作用下会发生汽化、吸收激光能量、电离而产生等离子体,这种等离子体具有非常奇特的特性,在国防、能源等很多领域都具有非常重要的应用价值。比如激光惯性约束核聚变;新型强激光驱动的粒子加速器,其尺度比传统加速器可以缩小上千倍;激光中子源;新型超快x射线和和太赫兹辐射等。本章将首先介绍激光打靶产生的等离子体的特点及其对诊断的要求,然后详细介绍和学习相关的等离子体诊断方法和技术。
主要内容如下:
1. 激光等离子体的特点及其对诊断的要求
2. 光学诊断方法和技术
3. x射线辐射诊断方法和技术
4. 辐射粒子诊断方法和技术
5. 场诊断方法和技术

第五章 磁约束高温等离子体的诊断方法和技术(6学时)
    教学目标:利用磁场与等离子体相互作用可以将等离子体限定在一定区域,从而可以持续对等离子体进行各种操作,最为成功的磁约束装置是托卡马克,可以将等离子体加热到很高的温度,以达到核聚变的目的。本章将首先介绍磁约束高温等离子体的特点及其对诊断的要求,然后详细介绍和学习在磁约束高温等离子体发展中,线光谱及其漂移、连续谱等光谱诊断方法,粒子探测及粒子追迹等粒子诊断方法,激光散射、激光干涉和激光光谱等主动探测方法。
主要内容如下:
1. 磁约束高温等离子体的特点及其对诊断的要求
2. 线光谱、连续谱等辐射光谱诊断
3. 中性粒子及带电粒子的诊断
4. 激光散射、激光干涉和激光光谱等激光诊断

第六章 气体放电等离子体的诊断方法和技术(6学时)
教学目标:利用气体放电产生的低温等离子体在人们的生活中普遍存在,尤其是在半导体工业起着举足轻重的作用,比如在半导体材料的刻蚀、薄膜沉积,离子注入等关键的材料处理工艺中都有低温等离子体的参与。本章将首先介绍气体放电等离子体的特点及其对诊断的要求,然后详细介绍和学习在气体放电等离子体的发展中常用的:朗谬尔静电探针测量电子的能谱,磁探针测量等离子体的位移、磁场、压强、电导率等参数,发射谱、吸收谱、激光诱导荧光和散射谱测量等离子体产生的各种活性成分(游离基)等光谱诊断方法,以及测量带电粒子的飞行时间质谱等。
主要内容如下:
1. 气体放电等离子体的特点及其对诊断的要求
2. 朗谬尔探针、磁探针等探针诊断
3. 发光、吸收、诱导荧光及散射等光谱诊断
4. 带电粒子的飞行时间质谱诊断

第七章 等离子体诊断新方法探讨(3学时)
教学目标:近年多种新型的光源和粒子源得到快速发展,包括强激光驱动的超快辐射源和粒子源、X射线自由电子激光等。这为物理、化学、生物、能源等学科带来了全新的探测手段。本章将对如何利用这些新手段、新方法诊断等离子体或者其它物质进行探讨。最后是在物理所强激光实验室现场参观、介绍和演示常用等离子体诊断设备的使用。
主要内容如下:
1.	强激光驱动的新型辐射源及其应用(超快新x射线和太赫兹源、质子成像、电子衍射)
2.	X射线自由电子激光及其应用
3.	超快电子衍射技术及其应用
4.	强激光实验室常用设备操作演示

考核方式:平时作业成绩占总成绩40%,期末闭卷笔试占总成绩60%。

参考文献

[1]《等离子体电子工程学》,菅井秀郎(日本) 编著, 张海波、张丹 译,科学出版社,2000
[2] 《高温等离子体诊断技术》,项志遴、俞昌旋 著,上海科学技术出版社,1982
[3] 《低气压低温等离子体诊断原理与技术》,叶超、宁兆元、江美福、 等 科学出版社,2010
[4] 《低温等离子体:等离子体的产生、工艺、问题及前景》,B.M.弗尔曼 (作者), 扎什京 (作者), 邱励俭 (译者),科学出版社,2011
[4] 《等离子体诊断》第一卷 (放电参量与化学),Orlando Auciello,郑少白等,译
[5]《等离子体物理基础》,胡希伟,北京大学出版社,2006
[6]《等离子体物理导论》, F.F. Chen著,林光海译,科学出版社,2016