Электронный циклотронный резонанс

Электронный циклотронный резонанс ( ЭЦР ) — явление, наблюдаемое в физике плазмы , физике конденсированного состояния и физике 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 окружности из-за силы Лоренца . Круговое движение может быть наложено на равномерное осевое движение, приводящее к спирали , или на равномерное движение, перпендикулярное полю (например, в присутствии электрического или гравитационного поля), приводящее к циклоиде . Угловая частота ( ω = 2πf ) этого циклотронного движения для заданной напряженности магнитного поля B определяется (в единицах СИ ) ^[1] как

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

где — элементарный заряд , а — масса электрона. Для широко используемой частоты микроволн 2,45 ГГц и голого заряда и массы электрона условие резонанса выполняется, когда B = $е$ $м$ 0,0875 Тл .

Для электрона, движущегося с релятивистской скоростью v , формулу необходимо скорректировать в соответствии со специальной теорией относительности следующим образом:

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

где

m _e — масса покоя электрона
$\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}$ .

В физике плазмы

Ионизированная плазма может быть эффективно получена 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 большим радиусом, поэтому местоположение вложения мощности можно контролировать в пределах примерно сантиметра. Кроме того, мощность нагрева может быстро модулироваться и вкладываться непосредственно в электроны. Эти свойства делают электронный циклотронный нагрев очень ценным исследовательским инструментом для изучения переноса энергии. В дополнение к нагреву электронные циклотронные волны могут использоваться для управления током. Обратный процесс электронной циклотронной эмиссии может использоваться в качестве диагностики радиального профиля электронной температуры.

Источники ионов ЭЦР

С начала 1980-х годов, после отмеченной наградами новаторской работы, проделанной доктором Ричардом Геллером ^[2] , доктором Клодом Линеисом и доктором Х. Постма ^[3] соответственно из Французской комиссии по атомной энергии , Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Национальной лаборатории Ок-Ридж , использование электронного циклотронного резонанса для эффективной генерации плазмы, особенно для получения большого количества многозарядных ионов, приобрело уникальное значение в различных технологических областях. Многие разнообразные виды деятельности зависят от технологии электронного циклотронного резонанса, включая

передовые методы лечения рака, где источники ионов ECR имеют решающее значение для протонной терапии ,
передовое полупроводниковое производство , особенно для памяти DRAM высокой плотности , с использованием плазменного травления или других технологий плазменной обработки ,
электрические двигательные установки для космических аппаратов , где широкий спектр устройств ( HiPEP , некоторые ионные двигатели или безэлектродные плазменные двигатели ),
для ускорителей частиц , массового разделения в режиме реального времени и воспроизводства зарядов радиоактивных ионов, ^[4]
и, как более приземленный пример, покраска пластиковых бамперов автомобилей.

Источник ионов ECR использует электронный циклотронный резонанс для ионизации плазмы. Микроволны инжектируются в объем на частоте, соответствующей электронному циклотронному резонансу, определяемому магнитным полем, приложенным к области внутри объема. Объем содержит газ низкого давления. Переменное электрическое поле микроволн установлено так, чтобы быть синхронным 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 энергии ионизации атомов или молекул. Образующиеся ионы соответствуют типу используемого газа, который может быть чистым, соединением или паром твердого или жидкого материала.

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

Для многозарядных ионов источник ионов ECR имеет то преимущество, что он способен удерживать ионы достаточно долго для множественных столкновений и множественной ионизации, а низкое давление газа в источнике позволяет избежать рекомбинации. Источник ионов VENUS ECR в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли произвел интенсивность 0,25 мА (электрическую) Bi ²⁹⁺ . ^[6]

Некоторые важные промышленные области не существовали бы без использования этой фундаментальной технологии, которая делает источники ионов и плазмы на основе электронно-циклотронного резонанса одной из передовых технологий современного мира.

В физике конденсированного состояния

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

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

где - время жизни рассеяния носителей, - постоянная Больцмана , - температура. Когда эти условия выполнены, электрон завершит свою циклотронную орбиту, не вступая в столкновение, в этой точке он, как говорят, находится на четко определенном уровне Ландау. $\тау$ $k_{\text{B}}$ $Т$

Смотрите также

Ссылки

^ В единицах СИ элементарный заряд e имеет значение1,602 × 10−19 Кл ^, масса электрона m _e имеет значение9,109 × 10−31 кг , магнитное поле B измеряется в теслах , а угловая частота ω измеряется в радианах ^в секунду.
^ Р. Геллер, Перок. 1-й Межд. Кон. Источник ионов, Сакле, с. 537, 1969 г.
^ H. Postma (1970). "Многократно заряженные тяжелые ионы, производимые энергичной плазмой". Physics Letters A. 31 ( 4): 196. Bibcode : 1970PhLA...31..196P. doi : 10.1016/0375-9601(70)90921-7.
^ Справочник по источникам ионов , Б. Вольф, ISBN 0-8493-2502-1 , стр. 136–146
^ R. Gobin et al., Saclay High Intensity Light Ion Source Status The European Particle Accelerator Conf. 2002, Париж, Франция, июнь 2002, стр. 1712
^ VENUS раскрывает будущее источников тяжелых ионов CERN Courier, 6 мая 2005 г.

Дальнейшее чтение

"Личные воспоминания о циклотронном резонансе", G. Dresselhaus, Труды ICPS-27 (2004). В этой статье описывается ранняя история циклотронного резонанса в период его расцвета как метода определения структуры зон .