stringtranslate.com

Геликон (физика)

В электромагнетизме геликон — это низкочастотная электромагнитная волна , которая может существовать в ограниченной плазме в присутствии магнитного поля . Первые наблюдаемые геликоны были атмосферными свистящими волнами , [1] [2], но они также существуют в твердых проводниках [3] [4] или любой другой электромагнитной плазме. Электрическое поле в волнах определяется эффектом Холла и почти перпендикулярно электрическому току (а не параллельно, как это было бы без магнитного поля); так что распространяющийся компонент волн имеет форму штопора ( винтовой ) — отсюда и термин «геликон», придуманный Эгрейном . [5]

Геликоны обладают особой способностью распространяться через чистые металлы , учитывая условия низкой температуры и сильных магнитных полей. Большинство электромагнитных волн в обычном проводнике не способны делать это, поскольку высокая проводимость металлов (из-за их свободных электронов ) действует как экранирование электромагнитного поля. Действительно, обычно электромагнитная волна будет испытывать очень тонкую глубину скин-слоя в металле: электрические или магнитные поля быстро отражаются при попытке проникнуть в металл. (Отсюда и блеск металлов.) Однако глубина скин-слоя зависит от обратной пропорциональности квадратному корню угловой частоты . Таким образом, низкочастотная электромагнитная волна может преодолеть проблему глубины скин-слоя и тем самым распространиться по всему материалу.

Одно из свойств геликоновых волн (легко демонстрируемое элементарным расчетом, использующим только термины эффекта Холла и термин сопротивления ) заключается в том, что в местах, где поверхность образца проходит параллельно магнитному полю, одна из мод содержит электрические токи, которые «стремятся к бесконечности» в пределе идеальной проводимости; так что потери на джоулево тепло в таких областях поверхности стремятся к ненулевому пределу. [6] [7] [8] Поверхностная мода особенно распространена в цилиндрических образцах, параллельных магнитному полю, конфигурация, для которой было найдено точное решение уравнений, [6] [9] и которая играет важную роль в последующих экспериментах.

Практическое значение поверхностного режима и его сверхвысокой плотности тока не признавалось в первоначальных работах, но стало очевидным несколько лет спустя, когда Босвелл [10] [11] обнаружил превосходную способность геликонов генерировать плазму, достигая плотности заряда плазмы в 10 раз выше, чем было достигнуто более ранними методами, без магнитного поля. [12]

С тех пор геликоны нашли применение в различных научных и промышленных приложениях – везде, где требовалась высокоэффективная генерация плазмы, [13] как в ядерных реакторах синтеза [14] и в космических двигателях (где геликоновый двухслойный двигатель [15] и магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом [16] используют геликоны в фазе нагрева плазмы). Геликоны также используются в процедуре плазменного травления , [17] используемой в производстве компьютерных микросхем. [18]

Геликонный разряд — это возбуждение плазмы геликонными волнами, индуцированными посредством радиочастотного нагрева . Разница между источником геликонной плазмы и индуктивно связанной плазмой (ICP) заключается в наличии магнитного поля, направленного вдоль оси антенны. Наличие этого магнитного поля создает геликонный режим работы с более высокой эффективностью ионизации и большей плотностью электронов, чем типичный ICP. Австралийский национальный университет в Канберре, Австралия, в настоящее время исследует применение этой технологии. Разработанный в коммерческих целях магнитоплазмодинамический двигатель под названием VASIMR также использует геликонный разряд для генерации плазмы в своем двигателе. Потенциально, плазменные ракеты с геликонным двухслойным двигателем подходят для межпланетных путешествий.

Смотрите также

Ссылки

  1. ↑ Стори, ЛРО (9 июля 1953 г.) «Исследование свистящих атмосфериков». Philosophical Transactions of the Royal Society A. 246 (908): 113. DOI: 10.1098/rsta.1953.0011.
  2. ^ Даррин А. Шнайдер (1998). Геликоновые волны в плазме высокой плотности (диссертация). Австралийский национальный университет.
  3. ^ Боуэрс, Р., Леженди, К. Р. и Роуз, Ф. Э. (ноябрь 1961 г.) «Осцилляционный гальваномагнитный эффект в металлическом натрии». Physical Review Letters 7 (9): 339–341. DOI: 10.1103/PhysRevLett.7.339.
  4. ^ BW Maxfield (1969). «Геликоновые волны в твердых телах». American Journal of Physics . 37 (3): 241–269. Bibcode : 1969AmJPh..37..241M. doi : 10.1119/1.1975500 .
  5. ^ Aigrain, P. (1961) Труды Международной конференции по физике полупроводников (Издательство Чехословацкой академии наук, Прага, 1961) стр. 224.
  6. ^ ab Legéndy, CR (сентябрь 1964) "Макроскопическая теория геликонов". The Physical Review 135 (6A): A1713–A1724. DOI:10.1103/PhysRev.135.A1713.
  7. ^ Goodman, JM и Legéndy, CR (май 1964 г.) «Джоулевые потери в «идеальном» проводнике в магнитном поле». Отчет Центра материаловедения Корнелльского университета № 201.
  8. ^ Гудман, Дж. М. (15 июля 1968 г.) «Геликоновые волны, потери на поверхностных модах и точное определение коэффициентов Холла алюминия, индия, натрия и калия». Physical Review 171 (1): 641–658. DOI: 10.1103/PhysRev.171.641.
  9. ^ Клозенберг, Дж. П., Макнамара, Б. и Тонеманн, П. К. (март 1965 г.) «Дисперсия и затухание геликоновых волн в однородной цилиндрической плазме». Журнал механики жидкости 21 (3): 545–563. DOI:10.1017/S0022112065000320.
  10. ^ Boswell, RW (июль 1970 г.) «Исследование волн в газообразной плазме». Кандидатская диссертация, Факультет физических наук, Университет Флиндерса в Южной Австралии. (http://people.physics.anu.edu.au/~rwb112/hr/index.htm#Boswell_Thesis_directory)
  11. ^ Boswell, RW (октябрь 1984) «Очень эффективная генерация плазмы свистящими волнами вблизи нижней гибридной частоты». Plasma Physics and Controlled Fusion 26 (10): 1147–1162. DOI:10.1088/0741-3335/26/10/001.
  12. ^ Boswell, RW и Chen FF (декабрь 1997 г.) «Геликоны – первые годы». IEEE Transactions on Plasma Science 25 (6): 1229–1244. DOI: 10.1109/27.650898.
  13. ^ Чен, ФФ (декабрь 1996 г.) «Источники плазмы типа Геликон» в: Источники плазмы высокой плотности: конструкция, физика и эксплуатационные характеристики, под ред. Олега А. Попова (Elsevier-Noyes), печатный ISBN 978-0-8155-1377-3 , электронная книга ISBN 978-0-8155-1789-4 .  
  14. ^ Марини, К., Аньелло, Р., Дюваль, Б.П., Фурно, И., Хоулинг, А.А., Жакье, Р., Карпушов, А.Н., Плющев, П., Верха, К., Гиттьен, Ф., Фанц, У., Вюндерлих Д., Бечу С. и Симонин А. (январь 2017 г.) «Спектроскопическая характеристика геликонной плазмы H 2 и D 2 , генерируемой резонансной антенной для применения нейтральных лучей в термоядерном синтезе». Ядерный синтез 57: 036024 (9 стр.) DOI: 10.1088/1741-4326/aa53eb
  15. ^ Чарльз, К., Босвелл, Р. В. и Либерман, МА (декабрь 2006 г.) «Характеристика пучка ионов ксенона в двухслойном геликоновом двигателе». Applied Physics Letters 89:261503 (3 стр.) DOI: 10.1063/1.2426881.
  16. ^ Longmier, BW, Squire, JP, Cassady, LD, Ballenger, MG, Carter, MD, Olsen, C., Ilin, AV, Glover, TW, McCaskill, GE, Chang Diaz, FR, Bering III, EA и Del Valle, J. (сентябрь 2011 г.) «Измерения характеристик VASIMR® VX-200 и таблицы дроссельной заслонки Helicon с использованием аргона и криптона». 32-я Международная конференция по электродвижению, состоявшаяся в Висбадене, Германия, 11–15 сентября 2011 г. (Висбаден: IEPC-2011-156).
  17. ^ Босвелл, РВ и Генри Д. (15 ноября 1985 г.) «Импульсное высокоскоростное плазменное травление с переменной селективностью Si/SiO 2 и переменными профилями травления Si». Applied Physics Letters 47 (10): 1095–1097 DOI: 10.1063/1.96340.
  18. ^ Poulsen, RG (1977) «Плазменное травление в производстве интегральных схем – обзор» Журнал вакуумной науки и техники 14 (1): 266 DOI: 10.1116/1.569137