Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Новосибирский государственный технический университет»

Программа вступительных испытаний в аспирантуру

по направлению «Физика и астрономия» (профиль:

«Физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника»)

.

ЭЛЕКТРОДИНАМИКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ:

I. Методы расчета и моделирования электрических и магнитных полей.

1. Основные аналитические, графические и численные методы определения статических полей; расчет емкостей и потоков.

2. Моделирование полей с источниками и без них 3. Измерения магнитных полей. Подобие модели и натуры.

II. Поведение заряженных частиц в электромагнитных полях.

1. Основные уравнения движения.

2. Движение заряженных частиц в однородных электромагнитных полях.

3. Электронно-оптическая аналогия.

4. Движение заряженных частиц в аксиально-симметричных полях. Метод приближенного построения траекторий.

III. Элементы фокусирующих систем и их электронно-оптические свойства.

1. Электростатические линзы и зеркала.

2. Магнитные линзы.

3. Понятие об аберрациях линз с вращательной симметрией.

4. Квадрупольные линзы, дублеты, триплеты.

5. Линзы с числом полюсов больше четырех.

IV. Формирование пучков заряженных частиц низкой интенсивности.

1. Теорема Лиувилля и поперечный фазовый объем пучка; понятие эмиттанса и аксептанса 2. Движение частиц с конечным фазовым объемом в периодическом канале.

Движение частиц в периодических полях..

3. Функции Флоке и огибающие пучка. Проблема согласованного ввода пучка в канал.

V. Действие пространственного заряда в пучках заряженных частиц.

1. Основные эффекты и соотношения подобия в интенсивных пучках.

2. Расширение пучков под действием сил пространственного заряда.

3. Распределение потенциала в пучках и предельный ток. Образование «виртуального» катода.

4. Формирование интенсивных потоков магнитных полей; поток Бриллюэна.

5. Начальное формирование потоков статическим полем; оптика Пирса.

6. Интенсивный пучок в периодическом канале; пропускная. характеристика канала.

7. Ускорительные трубки и особенности проектирования систем транспортировки интенсивных пучков.

МАГНИТНАЯ СИСТЕМА УСКОРИТЕЛЕЙ И НАКОПИТЕЛЕЙ ЗАРЯЖЕННЫХ

ЧАСТИЦ:

1. Назначение и основные функции.

2. Основные характеристики элементов магнитной системы.

3. Фокусирующие свойства элементов магнитной системы (магнит с однородным полем, фокусирующие линзы, магнит с градиентом, краевая фокусировка, соленоид).

4. Способы выполнения элементов магнитной системы..

ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ В МАГНИТНОЙ СИСТЕМЕ:

1. Уравнение движения частиц в магнитных полях.

2. Бетатронные и синхротронные колебания.

3. Движение частиц в периодических магнитных системах (уравнения Флоке).

4. Матричный метод анализа устойчивости движения.

5. Связь матричных коэффициентов с бетатронной функцией.

6. Азимутально- симметричная система со слабой фокусировкой, жесткофокусирующая магнитная система.

7. Анализ бетатронного движения частиц на фазовой плоскости.

8. Поперечный фазовый объем.

9. Адиабатическое затухание бетатронных колебаний.

10. Резонансы бетатронных колебаний в магнитных системах..

УСКОРЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ:

1. Способы создания ускоряющих элементов.

2. Зависимость параметров орбит от энергии частиц в циклических ускорителях.

3. Резонансный режим ускорения, автофазировка, уравнение фазового движения.

4. Анализ синхротронного движения на фазовой плоскости.

5. Продольный фазовый объем.

6. Адиабатическое затухание в синхротронных колебаниях..

СИНХРОТРОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ЭЛЕКТРОННЫХ УСКОРИТЕЛЯХ и

НАКОПИТЕЛЯХ:

1. Свойства синхротронного излучения.

2. Движение частиц в присутствии излучения.

3. Декременты затухания бетатронных и синхротронных колебаний.

4. Возбуждение колебаний за счет квантовых флуктуаций синхротронного излучения.

5. Ограничение на предельную энергию циклических ускорителей и накопителей электронов.

СПОСОБЫ УМЕНЫШЕНИЯ ФАЗОВОГО ОБЪЕМА ПУЧКА ЗАРЯЖЕННЫХ

1. Использование ионизационных потерь энергии.

2. Стохастическое охлаждение.

3. Электронное охлаждение.

ИНЖЕКЦИЯ И ВЫПУСК ЧАСТИЦ В УСКОРИТЕЛЯХ И HAKOПИТЕЛЯХ.

CПОСОБЫ НАКОПЛЕНИЯ ЧАСТИЦ:

1. Способы создания систем для впуска и выпуска частиц.

2. Способы инжекции частиц (внутренняя и внешняя, однооборотная и многооборотная, перезарядная инжекция).

3. Выпуск частиц из ускорителей (использование внешнего удара, рассеяние на мишени, резонансный способ).

4. Способы накопления частиц без уменьшения фазового объема.

5. Накопление частиц с использованием радиационного затухания или охлаждения тяжелых частиц.

ВЛИЯНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЗАРЯДА НА ДВИЖЕНИЕ ЧАСТИЦ В

УСКОРИТЕЛЯХ И HAKOПИТЕЛЯX:

1. Классификация различных эффектов (продольные и поперечные, когерентные и некогерентные).

2. Изменение фокусирующих свойств магнитной системы из-за кулоновских сил пространственного заряда.

3. Примеры когерентных неустойчивостей бетатронных колебаний, вызываемых взаимодействием с внешними системами.

4. Эффект «отрицательной массы» и его влияние на продольное движение частиц.

5. Продольные эффекты пространственного заряда для сбунчированного пучка (искажение потенциальной ямы, когерентные потери энергии, когерентные неустойчивости).

ЛИНЕЙНЫЕ УСКОРИТЕЛИ:

1. Электростатические ускорители.

2. Протонные высокочастотные ускорители (ускоритель Видероэ, Альвареца, мезонные фабрики).

3. Электронные линейные ускорители.

4. Импульсные сильноточные ускорители электронов.

ПPOMЫШЛЕННЫЕ УСКОРИТЕЛИ:

1. Требования, предъявляемые к ускорителям.

2. Различные типы промышленных ускорителей (трансформаторы, выпрямители, ВЧускорители).

3. Области применения промышленных ускорителей.

1. Основная идея, предельная энергия.

2. Фокусировка (ВЧ-фокусировка, изохронный циклотрон).

3. Конструктивное выполнение циклотрона.

1. Принцип работы, условие бетатронного ускорения.

2. Конструктивное выполнение бетатрона.

1. Идея микротронного способа ускорения.

2. Обычный и разрезной микротрон.

3. Инжекция в микротрон, фокусировка.

4. Применение микротронов.

1. Принцип синхротронного способа ускорения.

2. Магнитная система синхротронов (железные магниты, сверхпроводящие, импульсные безжелезные).

3. ВЧ-система синхротронов.

4. Вакуумная система..

5. Проблемы повышения предельной энергии синхротронов; будущее синхротронов.

НАКОПИТЕЛИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ:

1. Основные требования к накопителям.

2. Технические характеристики основных систем накопителей (магнитная система, ВЧ-система, инжекция, вакуум, геодезия, автоматика).

3. Способы повышения светимости установок со встречными пучками.

4. Использование накопителей для постановки различных экспериментов (получение поляризованных пучков, эксперименты на внутренней мишени, эксперименты с синхротронным излучением).

КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ УСТАНОВОК И

УСКОРИТЕЛЕЙ:

1. Структура современных электрофизических установок. Основные инженерные, технические и технологические проблемы.

2. Основные понятия в вакуумной технике.

3. Виды и способы получения вакуума; категории вакуумных установок. Основные материалы, применяемые в вакуумной технике (стали, стекло, керамика, прочие неметаллические материалы).

4. Газоотделение и газопроницаемость в вакууме. Физические и химические причины, величины натекания, динамика при прогреве, выводы для разработчика.

5. Специфические технологические процессы в вакуумной технике. Аргонодуговая и гелиеводуговая сварка, вакуумная пайка металлических соединений, диффузионная и электроннолучевая сварка и пайка.

6. Методы уплотнения вакуумных узлов.

7. Стыковые уплотнения с неметаллическими и металлическими уплотнителями.

Вводы движения в вакуум различных типов, электрические вводы в вакуум, нестандартные типы уплотнений.

8. Типовые коммутационные элементы вакуумных систем. Низковакуумные вентили и шиберы, высоковакуумные прогревные вентили и шиберы, аварийные и быстродействующие запорные устройства.

9. Общие схемы вакуумных систем и их структура. Особенности конструирования высоковакуумных систем, расчет проводимостей, расчет вакуумных систем на прочность, откачные средства, азотные ловушки, дополнительные элементы в вакуумных системах.

10. Тепловыделение в электрофизических установках. Основные законы теплопередачи; расчеты узлов конструкций при теплопередаче теплопроводностью. Конвекция, теплопередача в неограниченное и ограниченное пространство, теплопередача при вынужденном движении жидкости, при движении жидкости в трубах. Перенос тепловой энергии излучением, влияние экранов.

11. Расчет и конструирование электромагнитов. Основные свойства ферромагнитных материалов магнитомягкие и магнитотвердые материалы. Кривая намагничивания.

Силовое действие магнитного поля. Расчет усилий в электромагнитах с учетом и без учета полей рассеивания.

12. Назначение и инженерные особенности ускорителей заряженных частиц;

принципы формирования магнитного поля.

13. Синхротроны. Принцип действия, выбор параметров, конструктивные особенности основных систем, магнитная и вакуумная система, ускорительная система, особенности впуска и выпуска, вспомогательные устройства, конструкция синхротронов БЗМ, БЧ, Серпуховского, Современные тенденции в конструкциях синхротронов.

14. Накопители заряженных частиц. Назначение и классификация. Принципиальные особенности магнитной, вакуумной и высокочастотной системы накопителей.

Конструкции накопителей ВЭПП-2, ВЭПП-2000, ВЭПП-3 и ВЭПП-4. Накопители электронов - специализированные источники синхротронного излучения, конструкция накопителей «Сибирь-1» и «Сибирь-2».

15. Системы транспортировки пучков заряженных частиц и каналы вывода синхротронного излучения. Элементы с постоянным и импульсным питанием.

Поворотные магниты, квадрупольные линзы различных типов, Х-линзы, литиевые линзы. Корректирующие элементы и системы наблюдения за пучком. Структура и конструктивные элементы каналов вывода СИ. Системы юстировки каналов.

16. Промышленные ускорители. Области применения, классификация, возможные типы. Основные системы промышленных ускорителей, проблемы надежности и их отражение в конструкциях. Особенности конструктивных схем ускорителей типа 17. Конструкции циклических ускорителей. Циклотрон. Принцип дейст¬вия, особенности конструкции, основные системы, микротрон: основные системы и соотношения, темп ускорения. Особенности конструкции многодорожечных разрезных микротронов. Бетатроны: конструктивные особенности и область применения. Варианты конструкции. Бетатронные сердечники в синхротронах.

18. Электрофизические установки для проведения исследований в об¬ласти управляемого термоядерного синтеза (УТС). Открытые и закрытые системы.

Пробкотроны Будкера. Современные тенденции в создании открытых ловушек.

Конструкции установок ПОП, АМБАЛ, ГОЛ и Ш.

19. Некоторые технологические особенности изготовления элементов электрофизических установок. Точная обработка полюсов магнитных систем, изготовление кольцевых шихтованных магнитопроводов. Особенности технологии сильноточных обмоток и вакуумных камер.

Иванов А.В. «Динамика заряженных частиц и интенсивных пучков в стационарных полях», Новосибирск, НГТУ, 2011г Левичев Е.Б. «Лекции по нелинейной динамике частиц в циклическом ускорителе», Новосибирск, НГТУ, 2009г Пановский В., Филипс М. «Классическая электродинамика». М. 1963.

Жигарев А.А. «Электронная оптика и электронно-лучевые приборы», Высшая школа, М.

1972г.

Зинченко Н.С. «Курс лекций по электронной оптике», Изд. Харьк. Унив., Кельман В.М., Явор Я.С. «Электронная оптика», Изд.АН СССР, 1963 г.

Алямовский И.В. «Электронные пучки и электронные пушки», Сов.радио, 1966г.

Капчинский И.М. «Теория линейных резонансных ускорителей: динамика частиц». М.

Лихтенберг А. «Динамика частиц в фазовом пространстве», М. Атомиздат 1972 г.

Штеффен К. «Оптика пучков высокой энергии», Мир. М. 1969 г.

Бенфорд А. «Транспортировка пучков заряженных частиц», М. Атомиздат, 1969 г Балицкий А.В. «Технология изготовления вакуумной аппаратуры», «энергия», М., 1974 г.

Михеев М.А., Михеева И.М. «Основы теплопередачи», «Энергия», М.,1973 г.

Новиков Ю.Н. «Теория и расчет электрических аппаратов», «Энергия», Л., 1970 г.

Комар Е.А. «Основы ускорительной техники», «Энергия», Л., 1975 г.

Ливингуд Дж. Принципы работы циклических ускорителей. - М. Изд-во иностр. лит., 1963. - 493 с.

Лебедев А.П., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей: (Учеб. пособие для физ.спец. вузов. В 3-х ч. Х. -: Энергоиздат. 1981-1983. Ч. I. Ускорители заряженных частиц. - 1981. - 192 с; Ч.2. Циклические ускорители. - 1982. - 239 с.; Ч. 3. Линейные ускорители. - 1983. - 199 с.

2. Правила аттестации по дисциплине Вступительный экзамен проводится по билетам. В билет включены четыре вопроса из программы.