01.04.13 – электрофизика, электрофизические установки

Приказ Высшей аттестационной комиссии Республики Беларусь от 14 июля 2010 г. №167
 

Цели и задачи программы:

Формирование глубоких знаний физических явлений, на которых основаны электрофизические устройства, получение представлений о принципе действия, основным характеристикам и области применения основных типов вакуумных, плазменных и твердотельных электронных устройств, приборов СВЧ, электронно- и ионнолучевых устройств, устройств силовой электроники.

Настоящая программа составлена на основе дисциплин, связанных с изучением механизмов взаимодействия физических тел, веществ, макро- и микрочастиц с электрическим, магнитным и электромагнитным полями в различных средах и вакууме, с изучением методов и принципов использования электрофизических явлений в технических приложениях. В основу программы положены следующие дисциплины: «Основы электродинамики», «Теория электрических цепей», «Физика плазмы», «Физические основы электронной техники», «Электронные и ионные приборы», «Полупроводниковая электроника и микроэлектроника», «Силовая электроника», «Техника и приборы СВЧ», «Материалы электронной техники», «Корпускулярно-фотонные технологии».

Требования, предъявляемые к уровню знаний аспиранта (соискателя)

  • основные законы, явления и закономерности электродинамики;
  • принципы построения электрических цепей, их параметры и методы расчета;
  • основные методы трансформации, накопления и коммутации энергии;
  • свойства веществ в газообразном, жидком и твердом состоянии, влияние электромагнитного поля на эти свойства и основные характеристики устройств вакуумной, плазменной и твердотельной электроники;
  • основы физики электронных, ионных пучков, устройств плазменной и вакуумной электроники, характеристики электрофизических приборов различного технологического назначения.

Аспирант (соискатель) должен уметь

  • определять физические и технологические параметры электрофизических устройств;
  • рассчитывать электрические цепи различного назначения;
  • конструировать электрофизические устройства на базе электронных приборов различного типа.

1. Основы электродинамики

Электростатика. Закон Кулона. Теорема Гаусса. Проводники в электрическом поле. Работа электрических сил, потенциал электрического поля. Уравнение Пуассона и Лапласа. Потенциал объемных и поверхностных зарядов. Двойной электрический слой. Энергия взаимодействия электрических зарядов. Энергия электрического поля. Пондермоторные силы.

Диэлектрики. Поляризация диэлектриков. Свободные и связанные заряды. Уравнение электрического поля в произвольной среде. Пондермоторные силы в диэлектриках. Энергия электрического поля в диэлектриках. Тензор напряжений электрического поля. Пьезоэлектрики. Сегнетоэлектрики.

Магнитостатика. Магнитное поле постоянных токов. Сила Лоренца. Векторный потенциал магнитного поля. Уравнения магнитного поля. Потенциальные и соленоидальные магнитные поля. Граничные условия в магнитном поле токов. Пондермоторные силы в магнитном поле. Взаимная индукция и самоиндукция линейных проводников.

Магнитное поле в веществе. Намагниченность магнитов. Уравнения макроскопического магнитного поля в магнетиках. Механизмы намагничивания магнетиков. Теорема Лармора. Диамагнетизм. Парамагнетизм. Ферромагнетизм.

Электромагнитное поле в неподвижной среде. Электромагнитные волны. Уравнения Максвелла. Теорема Пойнтинга. Уравнение для потенциалов электромагнитного поля. Решение волнового уравнения. Запаздывающие и опережающие потенциалы. Скорость распространения электромагнитных возмущений.

Квазистационарное электромагнитное поле. Глубина проникновения магнитного поля в проводник. Скин-эффект.

Распространение электромагнитного поля в волноводах. Критическая длина волны. Фазовая и групповая скорости. Дисперсия.

Электромагнитные колебания в полых резонаторах.

Излучение заряженных частиц. Условия излучения в неограниченном пространстве. Поле излучения системы зарядов. Волновая зона. Дипольное излучение осциллятора. Излучение релятивистской частицы. Магнитотормозное излучение. Переходное излучение. Черенковское излучение электромагнитных волн в среде. Спонтанное и индуцированное излучение. Вынужденное комбинационное рассеяние.

Численные методы решения краевых задач электродинамики. Метод конечных разностей. Быстрое преобразование Фурье, методы прогонки и циклической редукции. Метод конечных элементов. Вариационные разностные методы. Функция Грина. Метод конечных элементов.

2.Основы теории электрических цепей

Линейные цепи. Методы расчета линейных электрических цепей в стационарном режиме. Уравнения Кирхгофа. Метод комплексных амплитуд. Метод контурных токов. Метод узловых напряжений. Метод эквивалентного генератора. Цепи с зависимыми источниками. Цепи с взаимными индуктивностями.

Методы расчета линейных цепей в нестационарных режимах. Классический метод. Операторный метод (преобразование Лапласа). Метод переменных состояний. Спектральный метод (преобразование Фурье). Интеграл Дюамеля. Цепные схемы, передаточные функции. Обратная связь, электрические фильтры.

Цепи с распределенными параметрами. Длинные линии. Телеграфные уравнения. Решение телеграфных уравнений в стационарном режиме. Падающие и отраженные волны. Распределение токов и напряжений в линии. Входное сопротивление линии. Согласование длинных линий.

Решение телеграфных уравнений в нестационарном режиме. Переходные процессы при коммутации предварительно заряженных линий.

Синтез линейных электрических цепей. Синтез пассивных двухполюсников. Свойства входных функций пассивных двухполюсников. Положительные вещественные функции. Критерии физической реализуемости. Алгоритм Кауэра. Алгоритм Фостера.

Элементы синтеза четырехполюсника. Синтез четырехполюсников по трем заданным Z- или Y-параметрам, по передаточной функции в виде Г-образного звена из rC- или rL-элементов. Синтез неуравновешенных четырехполюсников в виде каскадного соединения.

Нелинейные цепи. Методы расчета нелинейных цепей постоянного тока. Метод условной линеаризации. Графические методы – лестничная структура, схемы с двумя узлами. Метод кусочно-линейной аппроксимации. Трансформатор с ферромагнитным сердечником. Цепи с ферромагнетиками. Феррорезонанс.

Методы расчета нелинейных цепей в нестационарном режиме. Метод интегрируемой аппроксимации. Метод кусочно-линейной аппроксимации. Метод медленно меняющихся амплитуд. Метод малого параметра. Метод интегральных уравнений. Вариационные методы. Цепи с инерционными элементами, параметрические цепи.

3.Строение вещества

Газы. Основы кинетической теории газов. Давление газа, уравнение состояния идеального газа. Распространение звуковых волн в идеальном газе. Ударные волны в идеальном газе. Эффективное сечение и средняя длина свободного пробега. Процессы переноса.

Плазма. Основные понятия. Кинетическая теория плазмы, распределение частиц по скоростям, эффективные сечения и частоты столкновений. Механизмы ионизации и рекомбинации в плазме. Термическая ионизация, уравнение Саха. Дебаевский радиус. Плазменная частота. Испускание и поглощение фотонов. Диффузия и дрейф частиц. Амбиполярная диффузия. Соотношение между подвижностью и коэффициентами диффузии.

Проводимость низкотемпературной плазмы. Проводимость полностью ионизированного газа (формула Спитцера). Образование непрерывного спектра в плазме. Свободно-свободные и свободно-связанные переходы в нагретом ионизированном газе.

Системы и методы плазменной энергетики. Плазменный пиролиз органических веществ. Плазменные системы переработки токсичных отходов. Генераторы низкотемпературной плазмы (плазмотроны), физические основы и техническая реализация.

Жидкости. Макроскопические свойства жидкостей. Силы взаимодействия молекул. Явление переноса в жидкостях.

Твердые тела. Кристаллическая решетка. Силы связи в решетке. Электронный газ, модель потенциальной ямы Шоттки. Зонная модель. Проводники, полупроводники, диэлектрики. Работа выхода. Явление сверхпроводимости.

4. Вещество в сильном электромагнитном поле

Эмиссия заряженных частиц с поверхности вещества. Эмиссия электронов из твердого тела. Термоэмиссия, автоэлектронная эмиссия, фотоэмиссия, вторичная электронная эмиссия, взрывная эмиссия, ионная эмиссия.

Газовый разряд. Формы разряда в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Закон Пашена. Стримерная форма разряда, переход от стримера к канальной форме разряда. Коронный и тлеющий разряды. Дуговой разряд. Изоляционные свойства газовых диэлектриков. Сильноточный газовый разряд в плотных средах. Физика приэлектродных процессов в разрядах.

Прохождение тока через жидкость. Проводимость электролитов. Топливные элементы. Технический электролиз. Проводимость жидких изоляторов. Диэлектрические потери. Электрическая прочность и пробой жидких диэлектриков. Ударные волны, генерируемые в конденсированной среде. Разряд в жидкостях.

Проводники, твердые диэлектрики, полупроводники в сильных полях. Проводимость. Криопроводимость. Сверхпроводимость. Эффект Холла. Термоэлектричество. Электрический взрыв проводников. Диэлектрические потери, электрическая прочность, пробой в твердом диэлектрике. Поверхностный разряд.

Механическая прочность диэлектриков в сверхсильных магнитных полях. Магнитные материалы.

5. Накопление и коммутация энергии больших мощностей

Способы накопления энергии и типы накопителей. Характеристики накопителей энергии, сравнительные характеристики различных типов накопителей. Физические ограничения плотности энергии в накопителях. Способы передачи энергии от накопителей к нагрузке, оптимизация процесса передачи энергии.

Принципы построения генераторов импульсных напряжений и генераторов импульсных токов. Защита конденсаторных батарей высокой энергии. Коммутаторы емкостных накопителей энергии (вакуумные, газовые, жидкостные разрядники, разрядные колонны). Схемы поджига и синхронизации разрядников. Особенности работы коммутаторов в генераторах импульсных напряжений и генераторах импульсных токов.

Особенности работы емкостных накопителей энергии на линиях с распределенными параметрами в режиме заряда и разряда. Оптимизация по напряжению и мощности накопителей энергии на линиях коаксиального типа с распределенными параметрами. Особенности работы коммутаторов накопителей на линиях, конструкции коммутаторов. Методы обеспечения режима многоканальной коммутации.

6. Физика сильноточных пучков заряженных частиц

Распространение сильноточных пучков в вакууме. Предельный ток, ограниченный пространственным зарядом. Предельный ток Альвена. Формирование виртуального катода. Нейтрализованный, самосфокусированный пучок. Магнитная изоляция в диодах и линиях передач.

Распространение сильноточных пучков в плазме и газе. Электромагнитные поля, возбуждаемые пучком при инжекции. Равновесное состояние пучка в плазме. Нестационарная ионизация при инжекции пучка в газах. Токовая нейтрализация пучка.

Генерация сильноточных электронных и ионных пучков. Взрывная эмиссия в сильноточном диоде. Плоский диод в режиме Богуславского–Ленгмюра. Парапотенциальный поток в плоском диоде. Коаксиальный диод с магнитной изоляцией. Сильноточные ионные диоды – диод с магнитной изоляцией, рефлексный диод, пинч-рефлексный диод.

Устройства формирования и фокусировки интенсивных электронных потоков. Общие принципы формирования интенсивных электронных потоков. Магнитные и электростатические фокусирующие системы. Магнитная периодическая фокусирующая система (МПФС). Магнитная реверсивная фокусировка. Периодическая электростатическая фоку­сировка (ПЭФ). Коллекторы. Коллекторы с. рекуперацией. Автома­тизированные методы проектирования ЭОС.

Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) и фотоэлектрические приборы. Конструкция и характеристики электронно-лучевых приборов. Фо­кусирующие и отклоняющие системы ЭЛТ. Катодолюминисценция. Электронно-оптические преобразователи. Основные типы фотоэлементов. Фотоэлектронные умножители. Рентгеновские трубки.

Волны и неустойчивости в сильных пучках заряженных частиц. Волны в холодной стационарной плазме. Продольные волны в холодной дрейфующей плазме. Собственные волны в сильноточных пучках. Волны пространственного заряда в замагниченном пучке.

Электростатическая и электродинамическая неустойчивости волн пространственного заряда. Циклотронный резонанс. Неустойчивости в многокомпонентной системе.

7. Физика и техника электрофизических устройств

Электровакуумные приборы (ЭВП). Приборы с электростатическим управлением. Токопрохождение в вакуумном промежутке. Плоский диод. Распределение потенциала. Минимум потенциа­ла и виртуальный катод. Сеточное управление. Триоды, тетроды, пентоды. Частотные ограничения. Основные свойства и характеристики приборов с электростатическим управлением.

Особенности физических процессов в низкотемпературной плазме. Плазменные приборы. Принцип действия, конструкция и характеристики плазменных приборов. Приборы тлеющего разряда. Плазменные панели постоянного тока. Панели переменного тока. Тиратроны. Игнитроны. Резонансные сверхвысокочастотные разрядники. Плазменные источники ионов, электронов. Плазмохимические, металлургические и другие устройства на основе совместного применения электрических разрядов и электромагнитных полей.

Сверхвысокочастотные (СВЧ) электронные приборы. Методы анализа явлений в СВЧ приборах. Исходные уравнения поля и уравнения движения. Наведенный ток, емкостной ток. Конвенционный ток. Взаимодействие потока электронов с полем бегущей волны Группировка электронов. Волны пространственного заряда в скрещенных полях. Метод заданного поля и метод заданного тока. Самосогласованные решения.

Конструкции и параметры приборов СВЧ. Основные типы СВЧ при­боров, принцип действия. Конструктивные особенности и характе­ристики приборов О-типа (лампы с бегущей волной, лампы с обратной волной (ЛОВ), клистронов) и приборов М-типа (магнетронов, амплитронов, ЛОВ). Автоматизированное проектирование клистронов, ЛБВ, ЛОВ, магнетронов, амплитронов.

Интегральные микросхемы (ИС). Элементы ИС: транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы в составе ИС. Цифровые и аналоговые ИС. Полупроводниковые ЗУ и микропроцессоры. Пьезоэфект. Элементы акустоэлектроники.

Сенсорная электроника. Активные и пассивные сенсоры. Классификация сенсоров по принципу действия (физические, химические, биологические). Основные виды датчиков: температурные, оптические, давления, влажности, газовые.

Силовая электроника. Физические процессы, характерные для силовых полупроводниковых приборов. Лавинный пробой планарного p-n перехода. Особенности ВАХ силовых диодов. Переходные процессы в силовых диодах. Мощные биполярные транзисторы. Особенности ВАХ мощных транзисторов. Их частотная характеристика. Переходные процессы. Высокочастотные транзисторы. Тепловые свойства транзисторов. Нестабильность характеристик. Мощные полевые транзисторы. Мощные МОП-транзисторы. Тиристор и его ВАХ. Семистор и другие разновидности тиристоров. Силовые оптоэлектронные приборы. Силовая солнечная энергетика.

Полупроводниковые лазеры. Солнечные батареи. Преобразование электрических сигналов в световые. Волноведущие системы и резонаторы в электронных приборах. Их основные свойства.

8. Материалы узлов и устройств электрофизических приборов

Тугоплавкие металлы. Вольфрам, молибден, тантал и др. материалы и их сплавы. Применение тугоплавких металлов в вакуумной и плазменной электронике.

Благородные металлы. Платина, палладий, родий, осмий, золото, серебро и их сплавы. Применение благородных металлов и их сплавов для защиты деталей от коррозии и стабилизации электрофизических свойств поверхностей.

Черные и цветные металлы. Никель, железо, медь. Сплавы и композиции черных и цветных металлов. Методы очистки и получения. Вакуумная плавка.

Железоникелевокобальтовые, железоникелевохромистые и феррохромовые сплавы. Применение их для спаев с диэлектриками.

Припои. Низко- и высокотемпературные припои. Требования к припоям.

Магнитные материалы. Магнитомягкие материалы. Ферриты. Ферриты СВЧ. Кристаллические ферромагнетики.

Стекло. Состав, оборудование и производство стекла. Физико-химические свойства. Ситаллы. Спаи стекла с металлами. Оборудование для спаев стекла с металлами. Приборы для контроля качества спаев.

Керамика. Состав, оборудование и производство керамических деталей. Виды керамики, используемой в вакуумной и плазменной электронике. Физико-химические свойства керамики. Механические свойства. Термическое расширение. Теплопроводность. Удельное электрическое, объемное и поверхностное сопротивление. Диэлектрические свойства. Оптические свойства. Газопроницаемость. Спаи керамики с металлами. Приборы для контроля физико-химических свойств керамики.

Люминофоры. Методы и оборудование для их получения. При­менение люминофоров для электронно-лучевых приборов, люминесцирующих экранов и источников света. Методы и оборудование для нанесения люминофоров на подложки.

9. Электрофизические технологии

Электронно-лучевые технологии. Электронные пушки. Параметры электронных пушек. Электронно-лучевые энергокомплексы. Сварка, пайка, переплав и другие технологии. Электронная микроскопия.

Ионно-лучевые и плазменные технологии. Упрочнение, легирование, модификация поверхности.

Лазерные технологии. Типы лазеров. Лазерная резка, сварка и родственные технологии.

Электромагнитные технологии. ВЧ и СВЧ воздействия. Электроэрозионные и электроискровые технологии.

Ультразвуковые технологии.

Список литературы

Основная литература

  1. Энциклопедия низкотемпературной плазмы. – под ред. академика Фортова В.Е.  – М. Физматлит. 2004. – 808 с.
  2. Крейндель Ю.Е. Плазменные источники электронов. - М.: Атомиздат, 1977. – 145с.
  3. Завьялов М.А., Крейндель Ю.Е., Новиков А.А., Шантурин Л.П. Плазменные процессы в технологических электронных пушках. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 256 с.
  4. Окс Ю.Е. Электронные источники с плазменным катодом. – Томск: НТЛ, 2005.– 216 с
  5. Щука А.А. Электроника. – Издательство BNV. 2005 – 808 c.
  6. Шипко А.А.,  Поболь И.Л.., Урбан И.Г. Упрочнение сталей и сплавов с использованием электронно-лучевого нагрева. – Мн.: Наука и техника, 1995. - 280 с.
  7. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник / Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, П.В. Зуев, А.Н. Кокора – М.: Машиностроение, 1985. – 496 с.
  8. Назаренко О.К., Кайдалов А.А., Ковбасенко С.Н., и др. Электронно-лучевая сварка.– Киев. Наук. думка, 1987.– 256 с
  9. Теоретический курс физики в 10 томах. Т. 2 Теория поля. Т. 5 Электродинамика сплошных сред / Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Под ред. Л.П. Питаевского. М.: Физматгиз, 2001.
  10. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.
  11. Попов В.И. Основы теории цепей. М.: Высш. шк., 1995.
  12. Физика и технология источников ионов.– под ред. Я.Брауна.– М. Мир, 1998. – 496 с.
  13. Сушков А.Д.Вакуумная электроника. Физико-технические основы, С-Пб.: Изд.Лань, 2004.

Дополнительная литература

  1. Бутырин П.А., Козьмина И.С., Миронов И.В. Основы компьютерных технологий электротехники. М.: Изд-во МАИ, 2000.
  2. Шнеереен Г.А. Поля и переходные процессы в аппаратуре сверхсильных токов. Изд. 2-е. М.: Энергоатомиздат, 1992.
  3. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. М.: Энергоатомиздат, 1990.
  4. Месяц Г.А. Эктоны в вакуумном разряде: пробой, искра, дуга. М.: Наука, 2000.
  5. Гинзбург В.Л. Сверхпроводимость позавчера, вчера, сегодня, завтра // УФН. 2000. Т. 170.
  6. Максомов Е.Г. Проблемы высокотемпературной сверхпроводимости. Современное состояние // УФН. 2000. Т. 170.
  7. Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000.
  8. Борздов В.М., Комаров Ф.Ф. Моделирование электрофизических свойств твердотельных слоистых структур интегральной электроники. Мн.: БГУ, 1999.
  9. Аш 3.Ж.и др. Датчики измерительных систем. В 2-х книгах. 1992.
  10. Биосенсоры: основы и приложения.  М.: Мир, 1992.
  11. Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников.— М.: Наука, 1990.— 688 с.
  12. Гантмахер В.Ф. Электроны в неупорядоченных средах.– М.: Физматлит, 2005.— 232 с.
  13. Демиховский В.Я., Вугальтер Г.А. Физика квантовых низкоразмерных структур.— М.: Логос, 2000.— 248 с.
  14. Кобаяси Н. Введение в нанотехнологию.– М.: Бином. Лаборатория знаний, 2005– 134 с.
  15. Нанотехнологии в электронике / Под ред. Ю.А. Чаплыгина.— М.: Техносфера, 2005.— 448 с.
  16. Розеншер Э.,Винтер Б. Оптоэлектроника.— М.:Техносфера, 2004.— 592 с.
  17. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. – М.; Атомиздат,1969.–292 с.
  18. Семенов А.П. Пучки распыляющих ионов: получение и применение. – Улан-Удэ. Изд.-во БНЦ СО РАН, 1999. – 207 с. 
  19. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве / В.Т. Барченко, Ю.А. Быстров, Е.А. Колгин, Под ред. Ю.А. Быстрова. – СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отд-ние, 2001. – 332 с.
  20. Коротаев А.С., Миронов В.М., Свирчук Ю.С. Плазмотроны. Конструкции, характеристики, расчет. М.: Машиностроение, 1993.