Электронный циклотронный резонанс

Электронного циклотронного резонанса ( ЭЦР ) представляет собой явление , наблюдаемое в физике плазмы , физике конденсированных сред и физика ускорителей . Это происходит, когда частота падающего излучения совпадает с собственной частотой вращения электронов в магнитных полях. Свободный электрон в постоянном и однородном магнитном поле будет двигаться по кругу под действием силы Лоренца . Круговое движение может быть наложено на равномерное осевое движение, в результате чего получается спираль , или на равномерное движение, перпендикулярное полю (например, в присутствии электрического или гравитационного поля), что приводит к циклоиде.. Угловая частота (ω = 2π е ) этого циклотронного движения для заданной напряженности магнитного поля B дается (в СИ единицах) ^[1] по

{\ displaystyle \ omega _ {\ text {ce}} = {\ frac {eB} {m _ {\ text {e}}}}}

.

где это элементарный заряд и масса электрона. Для обычно используемой частоты микроволн 2,45 ГГц и голых заряда и массы электрона условие резонанса выполняется, когда B = 875 Гс = 0,0875 Тл . ${\ displaystyle e}$ ${\ displaystyle m}$

Для частиц с зарядом q , массой покоя электрона m _{0, e,} движущихся с релятивистскими скоростями v , формулу необходимо скорректировать согласно специальной теории относительности :

\omega _{\text{ce}}={\frac {eB}{\gamma m_{0,{\text{e}}}}}

где

\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}

.

В физике плазмы [ править ]

Ионизированная плазма может быть эффективно создана или нагрета путем наложения статического магнитного поля и высокочастотного электромагнитного поля на частоте электронного циклотронного резонанса . В тороидальных магнитных полях, используемых в исследованиях магнитной термоядерной энергии , магнитное поле уменьшается с увеличением большого радиуса, так что местоположение выделения энергии можно контролировать с точностью до сантиметра. Кроме того, мощность нагрева можно быстро модулировать и вкладывать непосредственно в электроны. Эти свойства делают электронный циклотронный нагрев очень ценным исследовательским инструментом для изучения переноса энергии. Помимо нагрева, электронные циклотронные волны могут использоваться для управления током. Обратный процессэлектронная циклотронная эмиссия может использоваться как диагностика радиального профиля электронной температуры.

Пример циклотронного резонанса между заряженной частицей и линейно поляризованным электрическим полем (показано зеленым цветом). Положение в зависимости от времени (верхняя панель) отображается в виде красной кривой, а зависимость скорости от времени (нижняя панель) отображается в виде синей кривой. Фоновое магнитное поле направлено в сторону наблюдателя. Обратите внимание, что в приведенном ниже примере с круговой поляризацией предполагается, что сила Лоренца отсутствует из-за волнового магнитного поля, действующего на заряженную частицу. Это эквивалентно тому, что скорость заряженной частицы, ортогональная магнитному полю волны, равна нулю.

Пример циклотронного резонанса между заряженной частицей и циркулярно поляризованным электрическим полем (показано зеленым цветом). Положение в зависимости от времени (верхняя панель) отображается в виде красной кривой, а зависимость скорости от времени (нижняя панель) отображается в виде синей кривой. Фоновое магнитное поле направлено в сторону наблюдателя. Обратите внимание, что в приведенном ниже примере с круговой поляризацией предполагается, что сила Лоренца отсутствует из-за волнового магнитного поля, действующего на заряженную частицу. Это эквивалентно тому, что скорость заряженной частицы, ортогональная магнитному полю волны, равна нулю.

Источники ионов ЭЦР [ править ]

С начала 1980 - х годов, после наградами пионерской работы , проделанной д - р Ричард Геллер , ^[2] Д - р Клод Lyneis , и д - р Х. Postma; ^[3] соответственно от Французской комиссии по атомной энергии , Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Национальной лаборатории Oak Ridge , использование электронно - циклотронного резонанса для эффективной генерации плазмы, особенно для получения большого числа многозарядных ионов, приобретает уникальное значение в различных технологических поля. Многие виды деятельности зависят от технологии электронного циклотронного резонанса, в том числе:

продвинутое лечение рака, когда источники ионов ECR имеют решающее значение для протонной терапии ,
передовое производство полупроводников , особенно для запоминающих устройств DRAM высокой плотности , посредством плазменного травления или других технологий плазменной обработки ,
электрические двигательные установки для приведения в движение космических кораблей , где имеется широкий спектр устройств ( HiPEP , некоторые ионные двигатели или безэлектродные плазменные двигатели ),
для ускорителей частиц , разделения масс в реальном времени и воспроизводства заряда радиоактивных ионов, ^[4]
и, как более приземленный пример, покраска пластиковых бамперов автомобилей.

Источник ионов ЭЦР использует электронный циклотронный резонанс для ионизации плазмы. Микроволны вводятся в объем с частотой, соответствующей электронному циклотронному резонансу, определяемой магнитным полем, приложенным к области внутри объема. Объем содержит газ низкого давления. Переменное электрическое поле микроволн устанавливается синхронно с периодом вращения свободных электронов газа и увеличивает их перпендикулярную кинетическую энергию. Впоследствии, когда возбужденные свободные электроны сталкиваются с газом в объеме, они могут вызвать ионизацию, если их кинетическая энергия больше, чем энергия ионизации атомов или молекул. Образующиеся ионы соответствуют типу используемого газа, который может быть чистым, составным или паром твердого или жидкого материала.

Источники ионов ЭЦР способны производить однозарядные ионы с высокой интенсивностью (например, ионы H ⁺ и D ^{+ с} током более 100 мА (электрический) в режиме постоянного тока ^[5] с использованием источника ионов ЭЦР 2,45 ГГц).

Для многозарядных ионов источник ионов ЭЦР имеет преимущества, заключающиеся в том, что он может удерживать ионы достаточно долго для того, чтобы имели место множественные столкновения и множественная ионизация, а низкое давление газа в источнике позволяет избежать рекомбинации. Источник ионов VENUS ECR в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли произвел 0,25 мА (электрический ток) Bi ²⁹⁺ . ^[6]

Некоторые важные области промышленности не могли бы существовать без использования этой фундаментальной технологии, которая делает источники ионов и плазмы электронным циклотронным резонансом одной из перспективных технологий современного мира.

В физике конденсированного состояния [ править ]

В твердом теле масса в приведенном выше уравнении циклотронной частоты заменяется тензором эффективной массы . Таким образом, циклотронный резонанс является полезным методом измерения эффективной массы и поперечного сечения поверхности Ферми в твердых телах. В достаточно сильном магнитном поле при низкой температуре в относительно чистом материале $m^{*}$

{\begin{aligned}\omega _{\text{ce}}&>{\frac {1}{\tau }}\\\hbar {\omega }_{\text{ce}}&>k_{B}T\\\end{aligned}}

где время жизни рассеяние носителей, является постоянная Больцмана и не зависит от температуры. Когда эти условия выполнены, электрон завершит свою циклотронную орбиту, не вступая в столкновение, и в этот момент говорят, что он находится на четко определенном уровне Ландау. $\tau$ $k_{B}$ $T$

См. Также [ править ]

Циклотронный резонанс
Циклотрон
ARC-ECRIS
Ионный циклотронный резонанс
Синхротрон
Гиротрон
Эффект Де Хааса – ван Альфена

Ссылки [ править ]

^ В единицах СИ элементарный заряд e имеет значение 1,602 × 10⁻¹⁹ кулонов , масса электрона m _e имеет значение 9,109 × 10⁻³¹ килограмм, магнитное поле B измеряется в теслах , а угловая частота ω измеряется в радианах в секунду.
^ Р. Геллер, Peroc. 1-й Int. Против. Источник ионов, Саклей, стр. 537, 1969 г.
^ Х. Постма (1970). «Многозарядные тяжелые ионы, производимые энергетической плазмой». Физика Буквы A . 31 (4): 196. Полномочный код : 1970PhLA ... 31..196P . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (70) 90921-7 .
^ Справочник по источнику ионов , Б. Вольф, ISBN 0-8493-2502-1 , p136-146
^ R. Gobin et al., Saclay High Intensity Light Ion Source Status The Euro. Ускоритель частиц, конф. 2002 г., Париж, Франция, июнь 2002 г., стр. 1712
^ VENUS открывает будущее источников тяжелых ионов CERN Courier, 6 мая 2005 года

Дальнейшее чтение [ править ]

«Личные воспоминания о циклотронном резонансе», Г. Дрессельхаус, Труды ICPS-27 (2004). В этой статье описывается ранняя история циклотронного резонанса в период его расцвета как метода определения зонной структуры .

[1] В единицах СИ элементарный заряд e имеет значение 1,602 × 10⁻¹⁹ кулонов , масса электрона m _e имеет значение 9,109 × 10⁻³¹ килограмм, магнитное поле B измеряется в теслах , а угловая частота ω измеряется в радианах в секунду.

[2] Р. Геллер, Peroc. 1-й Int. Против. Источник ионов, Саклей, стр. 537, 1969 г.

[3] Х. Постма (1970). «Многозарядные тяжелые ионы, производимые энергетической плазмой». Физика Буквы A . 31 (4): 196. Полномочный код : 1970PhLA ... 31..196P . DOI : 10.1016 / 0375-9601 (70) 90921-7 .

[4] Справочник по источнику ионов , Б. Вольф, ISBN 0-8493-2502-1 , p136-146

[5] R. Gobin et al., Saclay High Intensity Light Ion Source Status The Euro. Ускоритель частиц, конф. 2002 г., Париж, Франция, июнь 2002 г., стр. 1712

[6] VENUS открывает будущее источников тяжелых ионов CERN Courier, 6 мая 2005 года

[1]