“強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論”課程教學(xué)實(shí)踐與改革

高景明 楊建華

摘要：分析了“強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論”在物理電子學(xué)碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)課程系列中的地位和特點(diǎn)；根據(jù)其自身特點(diǎn)，在教學(xué)內(nèi)容、方法和手段等方面嘗試了一系列教學(xué)實(shí)踐與改革；初期效果表明，教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充完善以及教學(xué)方法和手段的逐步豐富不僅使課堂內(nèi)容與學(xué)科前沿更要貼近，也使教與學(xué)的過程更要緊密，從而有助于教學(xué)相長(zhǎng)和促進(jìn)研究生優(yōu)質(zhì)課程的建設(shè)。

關(guān)鍵詞：教學(xué)實(shí)踐；教學(xué)改革；強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）09-0101-02

強(qiáng)流帶電粒子束（Intense Charged Particle Beams，ICPB）物理主要研究大量帶電粒子的集體物理現(xiàn)象和行為，是21世紀(jì)物理學(xué)的前沿研究領(lǐng)域之一。20世紀(jì)60年代，英國(guó)原子武器研究中心（Atomic Weapons Research Establishment，AWRE）的Martin及其小組首先建議運(yùn)用脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)流相對(duì)論帶電粒子束；他們成功地利用原有的Marx發(fā)生器技術(shù)對(duì)快速傳輸線部分進(jìn)行脈沖充電，產(chǎn)生具有持續(xù)時(shí)間為幾十ns的高功率脈沖，從而開創(chuàng)了脈沖功率技術(shù)的新紀(jì)元，也使得強(qiáng)流帶電粒子束的產(chǎn)生和應(yīng)用真正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。最初，強(qiáng)流帶電粒子束技術(shù)是為材料試驗(yàn)、X射線照相及核武器效應(yīng)模擬等應(yīng)用發(fā)展起來的，但隨后即發(fā)現(xiàn)其在熱核聚變、微波產(chǎn)生、集團(tuán)離子加速和激光激勵(lì)等諸多領(lǐng)域都有著廣泛的用途[1，2]。

國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)高功率微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)最早開展強(qiáng)流帶電粒子束物理研究的單位之一，“強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論”課程是本實(shí)驗(yàn)室為物理電子學(xué)專業(yè)碩士研究生開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，其目的是使學(xué)生掌握強(qiáng)流帶電粒子束作為非中性等離子體產(chǎn)生和傳輸?shù)幕疽?guī)律，為從事高功率微波、閃光X射線照相及抗核加固、Z-箍縮、慣性約束聚變及強(qiáng)流帶電粒子束的應(yīng)用研究工作打下較堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)。

本課程與實(shí)驗(yàn)室開設(shè)的其他幾門物理電子學(xué)專業(yè)碩士研究生專業(yè)基礎(chǔ)課是密切相關(guān)的，如《脈沖功率及其診斷技術(shù)》和《等離子體物理基礎(chǔ)》兩門課程的學(xué)習(xí)為本課程的進(jìn)行準(zhǔn)備了基礎(chǔ)知識(shí)，而本課程的學(xué)習(xí)將會(huì)應(yīng)用到《高功率微波技術(shù)》課程中，可以看出本課程起到承上啟下的作用，所以針對(duì)性地進(jìn)行教學(xué)改革，提高教學(xué)效果是很有必要的。

一、教學(xué)內(nèi)容的補(bǔ)充完善

本課程作為強(qiáng)流帶電粒子束物理學(xué)的導(dǎo)論部分，主要介紹該學(xué)科的發(fā)展背景、強(qiáng)流帶電粒子束的產(chǎn)生及其在真空中的傳輸。最初采用的教材是美國(guó)米勒教授編著的《強(qiáng)流帶電粒子束物理學(xué)導(dǎo)論》，該書由劉錫三先生等人于1990年翻譯成中文，至今已經(jīng)有二十多年的時(shí)間，一直被奉為經(jīng)典。這本書是經(jīng)過綜合大量參考文獻(xiàn)編寫而成的，相對(duì)來說，信息量比較大，全面反映了當(dāng)時(shí)各領(lǐng)域研究人員對(duì)強(qiáng)流帶電粒子束物理學(xué)的貢獻(xiàn)，但其自身理論體系不夠完備，閱讀起來難度較大，并且由于文獻(xiàn)時(shí)間已早，有些最新的內(nèi)容未能展現(xiàn)出來。這樣，在實(shí)際教學(xué)過程中，我們一直致力于對(duì)教材的增補(bǔ)，最初完成了對(duì)課程講義的編寫，之后完成了對(duì)課程講義的完善與規(guī)范，并進(jìn)行了電子課件的制作，作者在此基礎(chǔ)上繼續(xù)補(bǔ)充完善，爭(zhēng)取使教材內(nèi)容能夠與時(shí)俱進(jìn)，展現(xiàn)出更加全面、新穎的強(qiáng)流帶電粒子束物理學(xué)的相關(guān)知識(shí)，目前內(nèi)容完善主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

1.抽象內(nèi)容形象化。本課程理論性較強(qiáng)，由于涉及處理與帶電粒子相關(guān)的物理過程，所以泊松方程被大量的利用，另外高斯定律、安培定律及運(yùn)動(dòng)方程也被大量的運(yùn)用，并且其中涉及很多的矢量計(jì)算。課程第一次課就涉及到描述粒子束半徑隨時(shí)間和距離變化的方程，即包絡(luò)方程，單從數(shù)學(xué)角度來理解這個(gè)包絡(luò)方程是比較抽象的，通過查閱相關(guān)資料[3]，我們給出一般情況下的包絡(luò)圖形，如圖1所示，這里主要關(guān)注外層電子的運(yùn)動(dòng)情況，在平衡狀態(tài)下，它的軸向速度恒定并且密度恒定可以達(dá)到真空中的解，出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)其實(shí)已經(jīng)開始考慮自身電場(chǎng)的作用了，因?yàn)閺较蛄κ故_始擴(kuò)張，而磁場(chǎng)又使它箍縮，這樣就使這個(gè)抽象的問題容易理解多了。

2.實(shí)用內(nèi)容重點(diǎn)化。前面提到，本課程的內(nèi)容將會(huì)應(yīng)用到《高功率微波技術(shù)》課程學(xué)習(xí)中，圖2給出了環(huán)形電子束經(jīng)過慢波結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生高功率微波（High Power Microwave，HPM）的原理框圖[4]；因此，針對(duì)目前實(shí)驗(yàn)室廣泛使用的束流類型——無箔二極管中的環(huán)形電子束，我們?cè)诮滩牡睦碚摽蚣芑A(chǔ)上，結(jié)合所調(diào)研的相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)影響無箔二極管中環(huán)形電子束傳輸?shù)母鞣N因素進(jìn)行了全面的介紹，這樣有助于拉近課堂內(nèi)容與科研實(shí)際之間的距離，類似內(nèi)容的重點(diǎn)化將為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和科研實(shí)踐奠定較好的基礎(chǔ)。

二、教學(xué)方法的逐步豐富

早期教學(xué)過程中，本課程受條件限制，主要以黑板板書、課堂講授為主，教學(xué)方法和手段相對(duì)單一；后來，制作了電子課件，實(shí)現(xiàn)了多媒體輔助教學(xué)與適當(dāng)板書相結(jié)合，提高了教學(xué)效果；在此基礎(chǔ)之上，作者繼續(xù)對(duì)教學(xué)方法和手段進(jìn)行改進(jìn)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

1.粒子運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模擬方法。在處理強(qiáng)流帶電粒子束相關(guān)問題時(shí)，一種重要的處理手段是PIC粒子模擬，通過粒子模擬可以對(duì)粒子運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)進(jìn)行比較完整的了解，在目前科研中得到廣泛的應(yīng)用。教學(xué)中將Magic粒子模擬程序引入課堂，進(jìn)行相關(guān)的模擬演示，取得了不錯(cuò)的效果。

Magic是在美國(guó)Air Force Office of Scientific Research資助下，由Mission Research Corporation歷時(shí)二十余年不斷開發(fā)和完善而形成的在二維或三維空間中模擬等離子體物理過程的有限差分時(shí)域粒子模擬程序。該程序從初始狀態(tài)開始，模擬空間電荷和電磁場(chǎng)相互作用隨著時(shí)間的進(jìn)化過程。模擬空間任一點(diǎn)電磁場(chǎng)由Maxwell方程解得。包含相對(duì)論因子的完整的洛倫茲力方程解得相對(duì)論帶電粒子的軌跡，電流連續(xù)性方程解得電流和電荷密度，以便求解Maxwell方程時(shí)使用。圖3為課程針對(duì)無箔二極管進(jìn)行的數(shù)值模擬所得到的結(jié)果，將這部分空間電子束有效傳輸至合理的束波作用區(qū)（如圖2所示）即可獲得高功率微波輸出；而關(guān)于這部分空間的諸多因素，如電子束厚度、陰陽極徑向間隙距離及陰極桿到陽極的距離等，利用Magic程序是很方便模擬其主要影響的。

2.科技文獻(xiàn)調(diào)研與討論。強(qiáng)流帶電粒子束物理是一門新興學(xué)科，目前仍在不斷完善，課程學(xué)習(xí)過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)許多地方值得深入探索，而這些探索很可能會(huì)形成高質(zhì)量的科研文章[5，6]，這個(gè)特點(diǎn)為課程教學(xué)帶來較大的難度，但同時(shí)也提供了較多深入研究的機(jī)會(huì)。

為了進(jìn)一步豐富課堂內(nèi)容，提高學(xué)習(xí)興趣，在教學(xué)實(shí)踐過程中增加了科技文獻(xiàn)調(diào)研與討論的環(huán)節(jié)，發(fā)動(dòng)同學(xué)們積極調(diào)研比較經(jīng)典的老文獻(xiàn)和反映目前強(qiáng)流帶電粒子束前沿研究情況的最新文獻(xiàn)，并將所調(diào)研文獻(xiàn)在課堂上進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，指明文獻(xiàn)的主題范圍及內(nèi)容梗概，介紹論文的目的、方法及主要結(jié)果與結(jié)論，在約十分鐘的時(shí)間內(nèi)提供盡可能多的定性或定量的信息，充分反映該研究的創(chuàng)新之處，使我們對(duì)該研究的主要內(nèi)容有一個(gè)輪廓性的了解。

這樣的實(shí)踐環(huán)節(jié)有助于更加深入地了解強(qiáng)流帶電子粒子束的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并借以鍛煉查閱文獻(xiàn)、總結(jié)文獻(xiàn)和口頭講述的能力。實(shí)際教學(xué)過程中，發(fā)現(xiàn)該環(huán)節(jié)的引入，在增強(qiáng)了師生之間互動(dòng)的同時(shí)確實(shí)提高了同學(xué)們的學(xué)習(xí)興趣，有不少同學(xué)調(diào)研到很有價(jià)值的文獻(xiàn)，就其中很好的物理思想與大家分享，并就疑問一起討論，將個(gè)人主動(dòng)學(xué)習(xí)發(fā)展到群組討論學(xué)習(xí)，效果良好。

三、結(jié)語

闡述了“強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論”課程建設(shè)與完善的必要性。課程教學(xué)內(nèi)容的逐步完善，以及教學(xué)方法和手段的科學(xué)化和多樣化是經(jīng)過多年的努力完成的，不僅使課堂內(nèi)容與學(xué)科前沿更要貼近，也使教與學(xué)的過程更要緊密，從而有助于教學(xué)相長(zhǎng)和促進(jìn)研究生優(yōu)質(zhì)課程的建設(shè)。教學(xué)改革的初步效果表明，有利于激發(fā)學(xué)員的學(xué)習(xí)興趣，提高他們的實(shí)踐能力，在實(shí)施過程中受到了學(xué)員的歡迎，下一步，將對(duì)課程教學(xué)繼續(xù)加強(qiáng)關(guān)于該學(xué)科最新創(chuàng)新性研究成果的補(bǔ)充，使“強(qiáng)流帶電粒子束物理導(dǎo)論”課程的建設(shè)水平不斷提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]R.B.Miller.強(qiáng)流帶電粒子束物理學(xué)導(dǎo)論[M]. New York：Plenum Press，1982；劉錫三，等，譯.北京：原子能出版社，1990.

[2]劉錫三，強(qiáng)流粒子束及其應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

[3]Stanley Humphries，Jr..Charged Particle BeamsM].Internet Version，1990.

[4]張軍.新型過模慢波高功率微波發(fā)生器研究[D].長(zhǎng)沙：國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2004.

[5]楊建華，張亞洲，舒挺，等.強(qiáng)流相對(duì)論環(huán)形電子束在低磁場(chǎng)中傳輸分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2005，17（3）：412-416.

[6]劉靜，舒挺，李志強(qiáng).層流平衡相對(duì)論電子束束流特性的數(shù)值計(jì)算[J].物理學(xué)報(bào)，2010，59（3）：1895-1901.