Электрон циклотронный резонанс

редактировать

Электронный циклотронный резонанс (ECR ) - явление, наблюдаемое в физике плазмы, физика конденсированного состояния и физика ускорителей. Это происходит, когда частота падающего излучения совпадает с собственной частотой вращения электронов в магнитных полях. Свободный электрон в статическом 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 циклоида. угловая частота (ω = 2π f ) этого циклотронного движения для данной напряженности магнитного поля B задается (в единицах SI ) как

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

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

где $e {\ displaystyle e}$ $е$ - это элементарный заряд, а $m {\ displaystyle m}$ $m$ - масса электрона. Для обычно используемой микроволновой частоты 2,45 ГГц и чистого заряда и массы электрона условие резонанса выполняется, когда B = 875 G = 0,0875 T.

. частицы заряда q, масса покоя электрона m 0, e движутся с релятивистскими скоростями v, формулу необходимо скорректировать в соответствии со специальной теорией относительности на:

ω ce знак равно е В γ м 0, е {\ displaystyle \ omega _ {\ text {ce}} = {\ frac {eB} {\ gamma m_ {0, {\ text {e}}}}}}

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

где

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

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

Содержание

1 В физике плазмы
2 Источники ионов ЭЦР
3 В физике конденсированных сред
4 См. Также
5 Ссылки
6 Дополнительная литература

В физике плазмы

Ионизированная плазма может быть эффективно создана или нагрета путем наложения статического магнитного поля и высокочастотного электромагнитного поля при частота электронного циклотронного резонанса. В тороидальных магнитных полях, используемых в исследованиях магнитной энергии термоядерного синтеза, магнитное поле уменьшается с увеличением большого радиуса, так что местоположение выделения энергии можно контролировать в пределах примерно 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 можно использовать для управления током. Обратный процесс электронной циклотронной эмиссии может использоваться в качестве диагностики 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) показано красной кривой, а зависимость скорости от времени (нижняя панель) показана 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). Положение в зависимости от времени (верхняя панель) показано красной кривой, а зависимость скорости от времени (нижняя панель) показана 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.

ЭЦР-источники ионов

С начала 1980-х годов, после отмеченной наградами новаторской работы, проделанной доктора Ричарда Геллера, доктора, и доктора Х. Постма; соответственно из Французской комиссии по атомной энергии, Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной лаборатории Ок-Ридж, использование электронного циклотронного резонанса для эффективного генерирования плазмы, особенно для получения большое количество многозарядных ионов приобрело уникальное значение в различных областях техники. Многие разнообразные виды деятельности зависят от технологии электронного циклотронного резонанса, включая

расширенное лечение рака, где ECR источники ионов имеют решающее значение для протонной терапии,
передового производства полупроводников, особенно для памяти с высокой плотностью DRAM, посредством плазменного травления или других технологий плазменной обработки,
устройств электрического движения для двигателей космических кораблей, где представлен широкий спектр устройств (HiPEP, некоторые ионные двигатели или безэлектродные плазменные двигатели ),
для ускорителей частиц, в режиме онлайн разделение масс и воспроизводство заряда радиоактивных ионов,
и, в качестве более обыденного примера, покраска пластиковых бамперов для автомобилей.

Источник ионов ЭЦР использует электронный циклотронный резонанс для ионизации плазмы. вводится в объем на частоте, 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, H и D ионы более 100 мА (электрические) в режиме постоянного тока с использованием источника ионов ЭЦР 2,45 ГГц).

Для многозарядных ионов источник ЭЦР-ионов имеет преимущества, заключающиеся в том, что он способен удерживать ионы на достаточно долгое время, чтобы имели место множественные столкновения и множественная ионизация, а низкое давление газа в источнике позволяет избежать рекомбинации. Источник ионов VENUS ECR в Национальной лаборатории им. Лоуренса Беркли выдал с силой 0,25 мА (электрический) сигнал Bi.

. Некоторые важные области промышленности не могли бы существовать без использования этой фундаментальной технологии, которая создает электронный циклотронный резонанс. источники ионов и плазмы - одна из самых эффективных технологий современного мира.

В физике конденсированного состояния

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

ω ce>1 τ ℏ ω ce>k BT {\ displaystyle {\ begin {align} \ omega _ {\ text {ce}}>{ \ frac {1} {\ tau}} \\\ hbar {\ omega} _ {\ text {ce}}>k_ {B} T \\\ конец {выровнено}}}

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

где $τ {\ displaystyle \ tau}$ 28>- время жизни при рассеянии носителей, $k B {\ displaystyle k_ {B}}$ $k_ {B}$ - постоянная Больцмана и $T {\ displaystyle T}$ $T$ - это температура. Когда эти условия выполнены, электрон завершит свою циклотронную орбиту, не вступая в столкновение, и в этот момент считается, что он находится на четко определенном уровне Ландау.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

«Личные воспоминания о циклотронном резонансе», G. Дрессельхаус, Труды ICPS-27 (2004). Эта статья описывает раннюю историю циклотронного резонанса в период его расцвета как метод определения зонной структуры.