Studijní program P4F2 Fyzika plazmatu a ionizovaných prostředí

Anotace programu

Studijní program pokrývá veškeré aspekty fyziky plazmatu a přirozeně navazuje na širší magisterský obor „Fyzika povrchů a ionizovaných prostředí.“ Díky zaměření oboru, které zahrnuje nejen rozsáhlou oblast fyziky plazmatu, ale přesahuje i do teoretické fyziky (elementární procesy) a do některých témat astrofyziky (plazma meziplanetárního prostoru, problémy pohybu prachu/ledových klastrů ve sluneční soustavě), je atraktivní i pro studenty navazujícího magisterského studia z těchto oborů. Program je v rámci UK jedinečný díky ucelenému pohledu na fyziku plazmatu, zahrnující experimentální studium laboratorního i kosmického, nízkoteplotního i horkého plazmatu a často podporované numerickými simulacemi.

Oborová rada

Aktuální složení rady je na adrese http://mff.cuni.cz/phd/or/p4f2 .

Spolupracující ústavy

– Astronomický ústav AV ČR, v.v.i.
Fričova 298, 251 65 Ondřejov
http://www.asu.cas.cz/

– Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Na Slovance 2, 182 21 Praha 8
http://www.fzu.cz/

– Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i.
Dolejškova 2155/3, 182 23 Praha 8
http://www.jh-inst.cas.cz/

– Ústav fyziky atmosféry AV ČR, v.v.i.
Boční II/1401, 141 31 Praha 4
http://www.ufa.cas.cz/

– Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v.v.i.
Za Slovankou 1782/3, 182 00 Praha 8
http://www.ipp.cas.cz/

Domovská stránka oborové rady

Vypsaná témata

Jsou k nahlédnutí v SIS na adrese http://mff.cuni.cz/phd/temata/p4f2  .

Uchazečům doporučujeme přihlásit se v předstihu na burze vybraných témat s nabídkou rozšířené finanční podpory: https://www.mff.cuni.cz/en/physicsphd/f2/ . Takto předvybraným uchazečům bude usnadněn průchod přijímacím řízením.

Poskytovaná výuka

Posluchač si volí přednášky a další povinnosti z nabídky oborové rady. Odborné semináře, soustředění a studentskou konferenci si posluchači zapisují opakovaně.

Požadavky k průběhu doktorského studia

a) 1. a 2. ročník studia: v každém ročníku 1 společný rozšiřující kurz, 2 přednášky dle individuálního studijního plánu v souladu s tématem disertační práce.

b) 1.–4. ročník studia: v každém ročníku odborný seminář a aktivní účast na zimním odborném soustředění.

c) Prezentace na WDS (Week of Doctoral Students) v každém roce studia. Publikace ve sborníku WDS v prvních 4  ročnících studia (lze nahradit publikací v časopise). Recenze příspěvku do sborníku WDS.

d) Aktivní účast na mezinárodní konferenci.

e) Podmínkou pro skládání státních doktorských zkoušek je absolvování celkem 4 odborných předmětů ukončených zkouškou.

f) Očekává se, že během studia student absolvuje několikaměsíční pobyt na zahraničním pracovišti. Alternativou jsou též letní/zimní školy v oboru práce v prvních letech studia.

g) Podmínkou pro obhajobu a ukončení studia je publikace vlastních výsledků ve dvou publikacích v mezinárodních impaktovaných časopisech. U obou publikací by měl být studentův přínos zásadní.

Oborová rada posuzuje splnění požadavků individuálně.

Seznam požadavků ke státní doktorské zkoušce

Státní doktorská zkouška má syntetický charakter, tj. jsou kladeny 3 širší otázky ze 7 okruhů, které odpovídají obsahu kurzovních přednášek organizovaných oborovou radou (při zadání otázek komise bere v úvahu, které přednášky student navštěvoval).

Okruh 1. Nízkoteplotní plazma a jeho aplikace
Definice a druhy plazmatu. Kinetický popis nízkoteplotního plazmatu, výbojové plazma a jeho aplikace zejména v plazmotechnologiích (polymerace, leptání, vytvoření tenkých vrstev apod.). Hydrodynamický popis plazmatu. Elementární procesy, typy srážek, srážkové průřezy. Záření v plazmatu. Transportní jevy, vodivost, difuze a ambipolární difuze. Chemické reakce v plazmatu. Vlny v plazmatu. Komplexní (prachové) plazma, jeho význam a aplikace.

Okruh 2. Elementární procesy v plazmatu
Úvod do fyzikální chemie (struktura molekul, stavy, ionty, apod.), srážkové procesy (ionizace, excitace, deexcitace, chem. reakce, rekombinace apod.), termodynamika a statistická termodynamika z hlediska fyzikální chemie, reakční kinetika a dynamika a ion–molekulové reakce, úvod do plazmochemie a laserové chemie.

Okruh 3. Měřicí metody, modelování a zpracování experimentálních dat
Analogové a digitální signály, analogový a digitální šum (spojité a diskrétní náhodné procesy), digitální filtrování (přehled metodik, typy filtrů, návrhy integračních a derivačních filtrů, metody zhlazování apod.), odhad parametrů modelu, vlastnosti a chyby odhadů. Optimální detekce (statistické vlastnosti, metody realizace). Náhodné procesy, fluktuace a šumy. Korelace, frekvenční spektrum signálu a jeho měření.

Okruh 4. Fyzikální procesy ve sluneční soustavě
Základní pojmy z magnetohydrodynamiky, pohyb částic v silových polích, analytické řešení pohybu částic v adiabatickém přiblížení, sluneční soustava, popis systému Země–Slunce, meziplanetární magnetické pole, plazma v meziplanetárním systému, sluneční vítr, rázové vlny, magnetopauza a magnetosféra Země, transport částic v okolí Země. Interakce slunečního větru s magnetosférou, přepojování magnetických polí. Vlny v kosmickém plazmatu.

Okruh 5. Diagnostika plazmatu
Přehled diagnostických metod, optické metody, technika mikrovlnného měření, rezonátorová metoda, interferenční metoda, sondové metody, korpuskulární diagnostika. Diagnostické metody používané v kosmickém prostoru.

Okruh 6. Magnetohydrodynamika, horké a laserové plazma
Magnetohydrodynamický přístup, jedno a dvoukapalinový model, zamrzlé pole a difuze siločar, magnetická energie a magnetické napětí, příklady. Úvod do fyziky fúze. Principy fúzních zařízení: tokamak, stellerátor, z-pinch, inerciální udržení. Procesy interakce vysokých toků laserového záření s plazmatem, charakteristiky a problémy teoretického popisu systémů s vysokou hustotou energie, principy rentgenového laseru, inerciální fúze.

Okruh 7. Problematika fúze, tokamak
Základy fúze, princip tokamaku. Tokamak — magnetická topologie, stabilita plazmatu, metody ohřevu, vliv nečistot. Okrajové plazma, jeho interakce se stěnou, formování plazmatu. Turbulence a nestability, jejich potlačení. Metody simulace tokamakového plazmatu. Diagnostické metody v tokamacích (plazmatu a magnetického pole). Materiály používané v tokamacích, provoz a řízení tokamaků.

Doporučená literatura

–Atkins, P. W.: Physical Chemistry. Oxford University Press, Oxford, 1988.

–Baumjohann, W., Treumann, R. A.: Basic Space Plasma Physics. Imperial College Press, London, 1999.

–Biskamp, D.: Magnetohydrodynamic Turbulence. Cambridge University Press, Cambridge, 2003.

–Bonitz M., Horing N., Ludwig P.: Introduction to Complex Plasmas. Springer 2010.

–Bertotti, B., Farinella, P., Vokrouhlický, D.: Physics of the Solar System. Springer, Dordrecht 2003.

–Bittencourt, J. A.: Fundamentals of Plasma Physics. Springer, New York, 2004.

–Cravens, T. E.: Physics of Solar System Plasma. Atmospheric and Space Science Series, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.

–Encrenaz, T. et al.: The Solar System. Springer, Berlin–Heidelberg–New York, 2004.

–Fanning, D. W.: IDL Programming Techniques. 2nd ed. 2000.

–Freidberg, J. P.: Plasma Physics and Fusion Energy. Cambridge University Press, Cambridge 2007.

–Ghosh, P. K.: Ion Traps. Clarendon Press, Oxford, 1995.

–Glosík, J. (ed.): Study texts for the course on Elementary processes in Plasma. MFF UK, Prague, 2020.

–Goldston, R. J., Rutherford, P. H.: Introduction to Plasma Physics. Institute of Physics Publishing, Bristol–Philadelphia, 1995.

–Gombosi, T. I.: Physics of the Space Environment. Atmospheric and Space Science Series, Cambridge University Press, Cambridge, 1998.

–Gross, R.: An Introduction to Alfven Waves. The Adam Hilger Series on Plasma Physics, Bristol, 1988.

–Grün, E., Gustafson, B. A. S., Dermott, S., Fechtig, H.: Interplanetary Dust. Astronomy and Astrophysics Library, Springer, Berlin, 2001.

–Hargreaves, J. K.: The Solar–terrestrial Environment. Cambridge Atmospheric and Space Science Series, Cambridge University Press, Cambridge, 1992.

–Huddlestone, R. H., Leonard, S. L. (Eds.): Plasma Diagnostic Techniques. Academic Press, New York, London 1965.

–Hutchinson, I. H.: Principles of Plasma Diagnostics. Cambridge University Press, Cambridge, 2002.

–Chen, F. F.: Plasma Diagnostic Techniques. Academic Press, New York, 1965.

–Chen, F. F.: Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion. Third Edition. Springer, Cham, 2016.

–Chung, P. M., Talbot, L., Touryan, K. J.: Electrical Probes in Stationary and Flowing Plasmas. Springer, Boston, 1975 (rusky: Mir, Moskva, 1978).

–Kallenrode, M. B.: Space Physics: An Introduction to Plasma and Particles in the Heliosphere and Magnetospheres. Springer–Verlag, Berlin–Heidelberg, 2001.

–Kivelson, M. G., Russell, C. T.: Introduction to Space Physics. Cambridge University Press, Cambridge, 1995.

–Kaufman, A. N., Cohen, B. I.: LECTURE NOTES: Theoretical plasma physics. Journal of Plasma Physics, Volume 85 , Issue 6 , December 2019 , 205850601.

–Lautrup, B.: Physics of Continuous Matter: Exotic and Everyday Phenomena in the Macroscopic World. Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 2005.

–Peratt, A. L.: Physics of the Plasma Universe. Springer–Verlag, New York–Heidelberg, 1991.

–Pfaff, R. F., Borovsky, J. E., Young, D. T. (Eds.): Measurement Techniques in Space Plasmas: Particles. AGU, Geophysical Monograph 102, Washington, DC, 1998.

–Pfaff, R. F., Borovsky, J. E., Young, D. T. (Eds.): Measurement Techniques in Space Plasmas: Fields. AGU, Geophysical Monograph 103, Washington, DC, 1998.

–Piel, A.: Plasma Physics, An Introduction to Laboratory, Space, and Fusion Plasmas. Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg, 2010.

–Priest, E. R. (ed.): Solar System Magnetic Fields. Terra Scient. Publ. Co., Tokyo, 1985.

–Shukla, P. K., Mamun, A. A.: Introduction to Dusty Plasma Physics. Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 2002.

–Schott, L.: Plasma Diagnostics. North–Holland Publishing Comp., Amsterdam, 1968.

–Song, P., Singer, H. J., Siscoe G. L. (Eds.): Space Weather. AGU, Geophysical Monograph 125, Washington, DC. 2001.

–Svanberg, S.: Atomic and Molecular Spectroscopy. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1992.

–Swamy, K.: Dust in the Universe: Similarities and Differences. World Scientific Series in Astronomy and Astrophysics, World Scientific Publishing, Singapure, 2005.

–Thompson, M. J.: An Introduction to Astrophysical Fluid Dynamics. Imperial College Press, London, 2006.

–Treumann, R. A., Baumjohann, W.: Advanced Space Plasma Physics. Imperial College Press, London, 2001.

–Walker, A. D. M.: Plasma Waves in the Magnetosphere. Springer Verlag, Berlin–Heidelberg, 1993.

–Werth, G., Gheorghe, V. N., Major, F. G.: Charged Particle Traps. Springer Berlin Heidelberg New York 2005.

–Werth, G., Gheorghe, V. N., Major, F. G.: Charged Particle Traps II. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009.

–Wesson, J.: Tokamaks Fourth Edition. Oxford University Press, 2011.