Электронный циклотронный резонанс - Electron cyclotron resonance

Электронный циклотронный резонанс (ECR) - явление, наблюдаемое в физика плазмы, физика конденсированного состояния, и физика ускорителя. Это происходит, когда частота падающего излучения совпадает с собственной частотой вращения электронов в магнитных полях. Бесплатный электрон в статике и униформе магнитное поле будет двигаться по кругу из-за Сила Лоренца. Круговое движение может быть совмещено с равномерным осевым движением, в результате чего спираль, или с равномерным движением перпендикулярно полю (например, в присутствии электрического или гравитационного поля), что приводит к циклоида. В угловая частота (ω = 2πж ) этого циклотрон движение при заданной напряженности магнитного поля B дан (в SI единицы)^[1] к

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

.

куда ${ displaystyle e}$ это элементарный заряд и ${ displaystyle m}$ - масса электрона. Для обычно используемых микроволновая печь частота 2,45 ГГц и затравочных заряда и массы электрона условие резонанса выполняется, когда B = 875 грамм = 0.0875 Т.

Для частиц заряда q, масса покоя электрона м_{0, e} движется с релятивистскими скоростями v, формулу необходимо скорректировать в соответствии с специальная теория относительности к:

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

куда

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

.

В физике плазмы

Ионизированный плазма может эффективно производиться или нагреваться путем наложения статического магнитное поле и высокочастотный электромагнитное поле на электронном циклотроне резонанс частота. В тороидальных магнитных полях, используемых в энергия магнитного синтеза Согласно исследованиям, 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 процесс электронно-циклотронная эмиссия может использоваться как диагностический радиального профиля электронной температуры.

Пример циклотронного резонанса между заряженной частицей и линейно поляризованным электрическим полем (показано зеленым). Положение в зависимости от времени (верхняя панель) отображается в виде красной кривой, а зависимость скорости от времени (нижняя панель) - 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 волновому магнитному полю, 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 равносильно утверждению, что скорость заряженной частицы, ортогональная магнитному полю волны, равна нулю.

Источники ионов ЭЦР

С начала 1980-х гг. После отмеченный наградами новаторская работа, проделанная доктором Ричард Геллер,^[2] Доктор Клод Лайнейс, и доктор Х. Постма;^[3] соответственно от Французская комиссия по атомной энергии, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли и Национальная лаборатория Окриджа, использование электронного циклотронного резонанса для эффективной генерации плазмы, особенно для получения большого количества многозарядных ионов, приобрело уникальное значение в различных областях техники. Многие виды деятельности зависят от технологии электронного циклотронного резонанса, в том числе

продвинутое лечение рака, где ECR источники ионов имеют решающее значение для протонная терапия,
передовой производство полупроводников, особенно для высокой плотности DRAM воспоминания через плазменное травление или другой плазменная обработка технологии,
электрическая силовая установка устройства для двигательная установка космического корабля, где представлен широкий спектр устройств (HiPEP, немного ионные двигатели, или же безэлектродные плазменные двигатели ),
за ускорители частиц, массовое разделение в реальном времени и воспроизводство 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. В объеме находится 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 высокой интенсивности (например, ЧАС⁺ и D⁺ ионы 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 Национальная лаборатория Лоуренса Беркли произвел силой 0,25 мА (электрический) Би²⁹⁺.^[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

В твердом теле масса в приведенном выше уравнении циклотронной частоты заменяется массой эффективная масса тензор ${ displaystyle m ^ {*}}$ . Поэтому циклотронный резонанс является полезным методом измерения эффективная масса и Поверхность Ферми поперечное сечение в твердых телах. В достаточно сильном магнитном поле при низкой температуре в относительно чистом материале

{ displaystyle { begin {align} omega _ { text {ce}} &> { frac {1} { tau}} hbar { omega} _ { text {ce}} &> k_ {B} T конец {выровнено}}}

куда ${ Displaystyle тау}$ - время рассеяния носителей, ${ displaystyle k_ {B}}$ является Постоянная Больцмана и ${ displaystyle T}$ это температура. 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.

Смотрите также

дальнейшее чтение

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

[1] В единицах СИ элементарный заряд е имеет значение 1.602 × 10⁻¹⁹ кулоны, масса электрона м_е имеет значение 9.109 × 10⁻³¹ килограммы, магнитное поле B измеряется в теслас, а угловая частота ω измеряется в радианы 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». Письма о физике A. 31 (4): 196. Bibcode:1970ФЛА ... 31..196П. Дои:10.1016/0375-9601(70)90921-7.

[4] Справочник по источнику ионов, Б. Вольф, ISBN 0-8493-2502-1, с136-146

[5] Р. Гобин и др., Состояние источника световых ионов высокой интенсивности Saclay Евро. Ускоритель частиц, конф. 2002 г., Париж, Франция, июнь 2002 г., стр. 1712

[6] VENUS раскрывает будущее источников тяжелых ионов CERN Courier, 6 мая 2005 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]