Plazma i promieniowanie jonizujące w przestrzeni kosmicznej

stacjonarne

I stopnia

wybieralny

W 22/+, C 10/+, L 12/+, S 6/+

Matematyka 1-3; Fizyka 1,2

IV semestr / Inżynieria kosmiczna i satelitarna / wszystkie specjalności

Andrzej Bartnik

Aktywność / obciążenie studenta w godz. (wg. arkusza Bilans ECTS)

1. Udział w wykładach / 22

2. Udział w ćwiczeniach audytoryjnych / 10

3. Udział w ćwiczeniach laboratoryjnych / 12

4. Udział w ćwiczeniach projektowych / 0

5. Udział w seminariach / 6

6. Samodzielne studiowanie tematyki wykładów / 14

7. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń audytoryjnych / 10

8. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń laboratoryjnych / 18

9. Samodzielne przygotowanie do ćwiczeń projektowych / 0

10. Samodzielne przygotowanie do seminarium / 6

11. Udział w konsultacjach / 6

12. Przygotowanie do egzaminu / 0

13. Przygotowanie do zaliczenia / 12

14. Udział w egzaminie / 0

Sumaryczne obciążenie pracą studenta:

116 godz. / 3,87 ECTS, przyjęto 4 ECTS

Zajęcia z udziałem nauczycieli (1+2+3+4+5+11+14): 56 godz./ 2 ECTS

Zajęcia powiązane z działalnością naukową (1÷10): 98 godz./ 3 ECTS

Tematyka zajęć będzie dotyczyła podstaw fizyki plazmy, obecności plazmy wysoko- i niskotemperaturowej w przestrzeni kosmicznej, emisji promieniowania jonizującego - elektromagnetycznego oraz korpuskularnego. Przedstawione zostaną możliwości wytwarzania plazmy i promieniowania jonizującego w warunkach laboratoryjnych i symulacji plazmy kosmicznej. Przedstawione zostaną mechanizmy oddziaływania plazmy i promieniowania jonizującego z materiałami oraz wpływ na działanie urządzeń w przestrzeni kosmicznej.

Wykład / Wykład informacyjny. Praca z książką i internetem.

1. Wprowadzenie do fizyki plazmy, pojęcia podstawowe

Omówione zostanie występowanie plazmy w przestrzeni kosmicznej, przedstawiona zostanie plazma jako stan materii, pojęcie kwazineutralności i kolektywnych zachowań, zdefiniowana zostanie temperatura plazmy oraz wprowadzone pojęcie ekranowania Debye’a. Określone zostaną kryteria definiujące plazmę. Przedstawione zostaną wybrane zastosowania oraz obszary badań naukowych związanych z fizyką plazmy

2. Ruchy cząstek naładowanych w plazmie, plazma jako płyn

Omówiony zostanie ruch pojedynczej cząstki naładowanej w polach elektrycznym oraz magnetycznym. Przedstawione zostanie zagadnienie dryfu cząstek naładowanych w różnych konfiguracjach pól. Wprowadzone zostaną równania opisujące plazmę jako płyn, magnetohydrodynamika.

3. Procesy atomowe w plazmie

Omówione zostaną podstawowe procesy zachodzące w plazmie w skali atomowej min. jonizacja, dysocjacja i wzbudzenie molekuł , wielokrotna

jonizacja atomów, wzbudzenie i deekscytacja, rekombinacja promienista i zderzeniowa. Przedstawione zostaną modele równowagi termodynamicznej plazmy: koronowy, LTE oraz CRE.

4. Fale w plazmie, niestabilności plazmy

Omówione zostaną różnego typu fale generowane w plazmie, częstość plazmowa i związana z nią propagacja promieniowania elektromagnetycznego. Przedstawione zostaną rodzaje niestabilności plazmy związane z obecnością pola magnetycznego oraz wzajemnym oddziaływaniem strumieni jonów i elektronów.

5. Badania plazmy kosmicznej, weryfikacja metod pomiarowych w warunkach laboratoryjnych

Przedstawione zostaną przykłady plazmy kosmicznej oraz podstawowe metody wytwarzania plazmy wysoko- i niskotemperaturowej w warunkach laboratoryjnych. Omówione zostaną wybrane metody pomiarowe stosowane do wyznaczania składu jonowego i parametrów termodynamicznych plazmy.

6. Wytwarzanie promieniowania jonizującego

Przedstawione zostaną mechanizmy prowadzące do emisji wysoko-energetycznych fotonów oraz wiązek wysokoenergetycznych cząstek naładowanych. Przedstawione zostaną wybrane źródła jonizującego promieniowania elektromagnetycznego oraz cząstek naładowanych oraz stosowane metody pomiarowe.

7. Oddziaływanie plazmy i promieniowania jonizującego z materią: wpływ na trwałość i działanie urządzeń w przestrzeni kosmicznej

Omówione zostaną mechanizmy oddziaływania wysokoenergetycznych fotonów i cząstek naładowanych z materią. Przedstawione zostaną różnice dotyczące pojedynczych aktów oddziaływania oraz wiązek od dużej fluencji. Omówiony zostanie wpływ promieniowania wysokoenergetycznego na działanie urządzeń w przestrzeni kosmicznej. Przedstawione zostaną przykłady zmian struktury fizyko-chemicznej powierzchni materiałów poddanych ekspozycji na plazmę i promieniowanie jonizujące.

8. Modelowanie numeryczne plazmy i emitowanego promieniowania elektromagnetycznego

Omówione zostaną metody wybrane numeryczne stosowane do modelowania plazmy w ujęciu hydro i mahnetohydrodynamicznym, siatki Eulera, Lagrange’a, metoda PIC (particle in cell). Przedstawione zostaną problemy modelowania przejść atomowych i molekularnych oraz promieniowania plazmy. Przedstawione zostaną możliwości korzystania z dostępnych kodów numerycznych PGOPHER, LIFBASE, PRISMSPECT.

Ćwiczenia rachunkowe

1. Ruchy cząstek naładowanych w polu elektrycznym i magnetycznym

Analiza ruchu pojedynczych jonów i elektronów w jednorodnym i niejednorodnym polu elektrycznym lub magnetycznym oraz w skrzyżowanych polach elektrycznym i magnetycznym. Dryfy cząstek naładowanych.

2. Promieniowanie elektromagnetyczne plazmy

Rozwiązywanie zadań dotyczących emisji promieniowania ciała doskonale czarnego oraz plazmy optycznie cienkiej. Moc promieniowania hamowania, rekombinacyjnego i liniowego.

3. Absorpcja i rozpraszanie promieniowania jonizującego w materiale

Rozwiązywanie zadań dotyczących oddziaływania promieniowania rentgenowskiego i cząstek naładowanych z pojedynczymi atomami oraz absorpcji w materiałach o różnych liczbach atomowych.

Seminaria

Każdy ze studentów przygotuje referat na zadany temat. Tematyka związana będzie z treściami programowymi wykładów poszerzona o dodatkowe informacje uzyskane samodzielnie przez studentów na podstawie poleconej literatury oraz zasobów dostępnyvh w internecie

Laboratoria / Ćwiczenia laboratoryjne z wykorzystaniem komputera

1. Badanie podstawowych parametrów plazmy indukowanej laserowo

Zapoznanie z układem eksperymentalnym do badań plazmy laserowej. Wyznaczenie parametrów plazmy takich jak rozmiary, widmo emisyjne oraz emitowana energia w zakresie EUV. (Węgrzyński)

2. Identyfikacja linii widmowych emitowanych z plazmy

Pomiary widm promieniowania plazmy wytwarzanej w ośrodkach gazowych. Zapoznanie z dostępnymi bazami danych dotyczącymi promieniowania w zakresie optycznym i rentgenowskim. Identyfikacja linii emisyjnych uzyskanych w wyniku przeprowadzonych pomiarów. (Węgrzyński)

3. Absorpcja promieniowania z zakresu skrajnego nadfioletu (EUV) i rentgenowskiego (SXR) emitowanego z plazmy wysokotemperaturowej

Wyznaczanie współczynników absorpcji promieniowania EUV i SXR w cienkich foliach wykonanych z różnych materiałów. Porównanie z wartościami z dostępnych baz danych (Węgrzyński)

Podstawowa:

1. Francis F. Chen, INTRODUCTION TO PLASMA PHYSICS, 1974 PLENUM PRESS, New York

2. Alexander Piel, Plasma Physics, An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas, Springer, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2010

Uzupełniająca:

3. M.A. Lieberman, A.J. Lichtenberg, PRINCIPLES OF PLASMA DISCHARGES AND MATERIALS PROCESSING, John Wiley & Sons, Inc. 2005

W1 / Znajomość rodzajów plazmy obecnej w kosmosie i wytwarzanej w laboratorium

W2 / Znajomość podstawowych metod pomiaru parametrów plazmy i promieniowania jonizującego

W2 / Znajomość skutków oddziaływania plazmy i promieniowania jonizującego na materiały i urządzenia w przestrzeni kosmicznej

U1 / Umiejętność wyszukiwania informacji dotyczących struktury elektronowej i molekularnej składników plazmy oraz materiałów poddanych ekspozycji

U2 / Umiejętność wyszukiwania informacji odnośnie współczynników absorpcji promieniowania jonizującego w materiałach

U3 / Umiejętność oceny potencjalnych skutków ekspozycji powierzchni na plazmę oraz promieniowanie jonizujące

K1 / Świadomość konieczności ciągłego śledzenia informacji dotyczących nowych materiałów stosowanych w technice kosmicznej i stosowanych metod detekcji promieniowania jonizującego

K2 / Świadomość zagrożeń ze strony promieniowania jonizującego obecnego w przestrzeni kosmicznej

Przedmiot zaliczany jest na podstawie: zaliczenia na ocenę

Ćwiczenia zaliczane są na podstawie: zaliczenia (zal/nzal)

Ćwiczenia laboratoryjne zaliczane są na podstawie: zaliczenia (zal/nzal)

Seminaria zaliczane są na podstawie: zaliczenia (zal/nzal)

Zaliczenie na ocenę z przedmiotu jest prowadzone w formie pisemnej w szczególnych wypadkach uwzględnia się dodatkową część ustną;

Warunkiem dopuszczenia do zaliczenia jest zaliczenie ćwiczeń i ćwiczeń laboratoryjnych.

efekty W: sprawdzane są podczas zaliczenia na ocenę;

efekty U: sprawdzane są podczas ćwiczeń i ćwiczeń laboratoryjnych;

efekty K: sprawdzane są podczas zaliczenia na ocenę;

Oceny osiągnięcia zakładanych efektów kształcenia (wg. opinii Komisji WME

ds. Funkcjonowania Systemu Zapewnienia Jakości Kształcenia):

Ocenę bardzo dobrą otrzymuje student który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 91-100%.

Ocenę dobrą plus otrzymuje student który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 81-90%.

Ocenę dobrą otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 71-80%.

Ocenę dostateczną plus otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 61-70%.

Ocenę dostateczną otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie 51-60%.

Ocenę niedostateczną otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie równym lub niższym niż 50%.

Ocenę uogólnioną zal. otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie wyższym niż 50%.

Ocenę uogólnioną nzal. otrzymuje student, który osiągnął zakładane efekty kształcenia na poziomie równym lub niższym niż 50%.