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 за счет силы Лоренца . На круговое движение может накладываться равномерное осевое движение, приводящее к образованию спирали , или равномерное движение, перпендикулярное полю (например, при наличии электрического или гравитационного поля), приводящее к образованию циклоиды . Угловая частота ( ω  = 2 π f ) этого циклотронного движения для заданной напряженности магнитного поля B определяется (в единицах СИ ) ^[1] выражением

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

где – элементарный заряд , – масса электрона. Для обычно используемой микроволновой частоты 2,45 ГГц и заряда и массы затравленного электрона условие резонанса выполняется, когда B = ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle m}$0,0875  Т.​

Для электрона, движущегося с релятивистскими скоростями v , формулу необходимо скорректировать в соответствии со специальной теорией относительности, чтобы:

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

где

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

В физике плазмы

Ионизированную плазму можно эффективно производить или нагревать путем наложения статического магнитного поля и высокочастотного электромагнитного поля на частоте электронного циклотронного резонанса . В тороидальных магнитных полях, используемых в исследованиях энергии магнитного термоядерного синтеза , магнитное поле уменьшается с большим радиусом, поэтому место 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 можно использовать для создания тока. Обратный процесс электронной циклотронной эмиссии можно использовать в качестве диагностики радиального профиля электронной температуры.

ЭЦР-источники ионов

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 Комиссии по атомной энергии Франции , Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Национальной лаборатории Ок-Риджа , использование электронного циклотронного резонанса для эффективной генерации плазмы, особенно для получения большого количества многозарядных ионов, приобрело уникальное значение в различных технологических процессах. поля. Многие разнообразные виды деятельности зависят от технологии электронного циклотронного резонанса, в том числе

• современное лечение рака, где источники ионов ECR имеют решающее значение для протонной терапии ,
• передовое производство полупроводников , особенно для памяти DRAM высокой плотности , с помощью плазменного травления или других технологий плазменной обработки ,
• электрические двигательные устройства для движения космических кораблей , где используется широкий спектр устройств ( HiPEP , некоторые ионные двигатели или безэлектродные плазменные двигатели ),
• для ускорителей частиц , массового разделения и размножения 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 на частоте, соответствующей электронному циклотронному резонансу, определяемому 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 превышает энергию ионизации атомов или молекул. Образующиеся ионы соответствуют используемому типу 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 ⁺ с током более 100  мА (электрическим) 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, чтобы произошли 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 Bi ²⁹⁺ силой тока 0,25 мА (электрическая) . ^[6]

Некоторые важные промышленные области не существовали бы без использования этой фундаментальной технологии, которая делает источники ионов и плазмы электронного циклотронного резонанса одной из перспективных технологий сегодняшнего мира.

В физике конденсированного состояния

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 ${\displaystyle m^{*}}$

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

где – время жизни рассеяния носителей, – постоянная Больцмана , – температура. Когда эти условия выполняются, электрон завершит свою циклотронную орбиту, не вступая в столкновение, и в этот момент говорят, что он находится на четко определенном уровне Ландау. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ ${\displaystyle T}$

Смотрите также

• Циклотронный резонанс
• Циклотрон
• АРК-ЭКРИС
• Ионный циклотронный резонанс
• Синхротрон
• Гиротрон
• Эффект Де Хааса – Ван Альфена

Рекомендации

1. 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.
2. Р. Геллер, Перок. 1-й Межд. Против. Источник ионов, Сакле, с. 537, 1969 г.
3. Х. Постма (1970). «Многозарядные тяжелые ионы, производимые энергичной плазмой». Буквы по физике А. 31 (4): 196. Бибкод : 1970PhLA...31..196P. дои : 10.1016/0375-9601(70)90921-7.
4. Справочник по источникам ионов , Б. Вольф, ISBN 0-8493-2502-1 , стр. 136–146. 
5. Р. Гобин и др., Статус источника легких ионов высокой интенсивности в Сакле, Евро. Конференция по ускорителям частиц. 2002 г., Париж, Франция, июнь 2002 г., с. 1712 г.
6. ВЕНЕРА раскрывает будущее источников тяжелых ионов CERN Courier, 6 мая 2005 г.

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 метода определения зонной структуры .