Elektronová cyklotronová rezonance - Electron cyclotron resonance

Elektronová cyklotron rezonance je jev pozorován v fyziky plazmatu , fyzice a akcelerace fyziky . Elektronů ve statickém a jednotné magnetické pole se bude pohybovat v kruhu vzhledem k Lorentzovy síly . Kruhový pohyb může být superponován rovnoměrným axiálním pohybem, jehož výsledkem je šroubovice , nebo rovnoměrným pohybem kolmým k poli (např. V přítomnosti elektrického nebo gravitačního pole), jehož výsledkem je cykloid . Úhlová frekvence (ω = 2π f ) tohoto cyklotronu návrhu dané intenzity magnetického pole B je uveden (v SI jednotek) od

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

.

kde je základní náboj a je hmotnost elektronu. Pro běžně používané mikrovlnné frekvenci 2,45 GHz a holého náboje elektronu a hmoty, stav rezonance je dosaženo, jestliže B = 875 G = 0.0875234740965 T . ${\ displaystyle e}$ ${\ displaystyle m}$

U částic náboje q , klidové hmotnosti elektronu m _{0, e} pohybujících se relativistickými rychlostmi v je třeba vzorec upravit podle speciální teorie relativity na:

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

kde

{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1 \ \ vlevo ({\ frac {v} {c}} \ vpravo) ^ {2}}}}}

.

Ve fyzice plazmatu

Ionizovaná plazma může být účinně vyráběna nebo ohřívána superpozicí statického magnetického pole a vysokofrekvenčního elektromagnetického pole na rezonanční frekvenci elektronového cyklotronu . V toroidních magnetických polích používaných při výzkumu energie magnetické fúze magnetické pole klesá s hlavním poloměrem, takže umístění depozice energie může být řízeno přibližně do centimetru. Kromě toho lze topnou energii rychle modulovat a ukládat přímo do elektronů. Díky těmto vlastnostem je ohřev elektronového cyklotronu velmi cenným výzkumným nástrojem pro studie přenosu energie. Kromě zahřívání lze k pohonu proudu použít elektronové cyklotronové vlny. Inverzní proces emise elektronového cyklotronu lze použít jako diagnostiku teplotního profilu radiálního elektronu.

Příklad cyklotronové rezonance mezi nabitou částicí a lineárně polarizovaným elektrickým polem (zobrazeno zeleně). Pozice vs. čas (horní panel) je zobrazen jako červená stopa a rychlost vs. čas (spodní panel) je zobrazen jako modrá stopa. Magnetické pole pozadí je směrováno směrem k pozorovateli. Všimněte si, že níže uvedený příklad s kruhovou polarizací předpokládá, že v důsledku vlnového magnetického pole působícího na nabitou částici neexistuje žádná Lorentzova síla. To odpovídá tvrzení, že rychlost nabité částice kolmá na vlnové magnetické pole je nulová.

Příklad cyklotronové rezonance mezi nabitou částicí a kruhově polarizovaným elektrickým polem (zobrazeno zeleně). Pozice vs. čas (horní panel) je zobrazen jako červená stopa a rychlost vs. čas (spodní panel) je zobrazen jako modrá stopa. Magnetické pole pozadí je směrováno směrem k pozorovateli. Všimněte si, že níže uvedený příklad s kruhovou polarizací předpokládá, že v důsledku vlnového magnetického pole působícího na nabitou částici neexistuje žádná Lorentzova síla. To odpovídá tvrzení, že rychlost nabité částice kolmá na vlnové magnetické pole je nulová.

ECR iontové zdroje

Od počátku 80. let, po oceněné průkopnické práci, kterou provedli Dr. Richard Geller , Dr. Claude Lyneis a Dr. H. Postma; respektive od francouzské komise pro atomovou energii , Lawrence Berkeley National Laboratory a Oak Ridge National Laboratory , použití elektronové cyklotronové rezonance pro efektivní generování plazmy, zejména k získání velkého počtu iontů s více náboji, získalo v různých technologických oblastech jedinečný význam. Mnoho různých aktivit závisí na technologii elektronové cyklotronové rezonance, včetně

pokročilá léčba rakoviny, kde jsou zdroje iontů ECR klíčové pro protonovou terapii ,
pokročilá výroba polovodičů , zejména pro paměti DRAM s vysokou hustotou , pomocí plazmového leptání nebo jiných technologií zpracování plazmy ,
elektrická pohonná zařízení pro pohon kosmických lodí , kde je k dispozici široká škála zařízení ( HiPEP , některé iontové trysky nebo plazmové trysky bez elektrod ),
pro urychlovače částic , on-line separaci hmoty a chov radioaktivních iontových nábojů,
a jako všednější příklad lakování plastových nárazníků pro automobily.

Zdroj iontů ECR využívá elektronovou cyklotronovou rezonanci k ionizaci plazmy. Mikrovlny se vstřikují do objemu na frekvenci odpovídající rezonanci elektronového cyklotronu, definované magnetickým polem aplikovaným na oblast uvnitř objemu. Objem obsahuje nízkotlaký plyn. Střídavé elektrické pole mikrovln je nastaveno tak, aby bylo synchronní s dobou otáčení volných elektronů plynu, a zvyšuje jejich kolmou kinetickou energii. Následně, když se energizované volné elektrony srazí s plynem v objemu, mohou způsobit ionizaci, pokud je jejich kinetická energie větší než ionizační energie atomů nebo molekul. Vyrobené ionty odpovídají použitému typu plynu, který může být čistý, sloučenina nebo pára pevného nebo kapalného materiálu.

Zdroje iontů ECR jsou schopné produkovat jednotlivě nabité ionty s vysokou intenzitou (např. Ionty H ⁺ a D ⁺ více než 100 mA (elektrické) v DC režimu s použitím iontového zdroje 2,45 GHz ECR).

Pro vícenásobně nabité ionty má zdroj iontů ECR výhody v tom, že je schopen omezit ionty na dostatečně dlouhou dobu, aby mohlo dojít k vícenásobným srážkám a vícenásobné ionizaci, a nízký tlak plynu ve zdroji zabrání rekombinaci. Zdroj iontů VENUS ECR v Národní laboratoři Lawrence Berkeley vyprodukoval v intenzitě 0,25 mA (elektrický) Bi ²⁹⁺ .

Některá důležitá průmyslová pole by neexistovala bez použití této základní technologie, díky níž je elektronový cyklotronový rezonanční iontový a plazmový zdroj jednou z umožňujících technologií dnešního světa.

Ve fyzice kondenzovaných látek

V tělese je hmota ve výše uvedené cyklotronové frekvenční rovnici nahrazena účinným tenzorem hmoty . Cyklotronová rezonance je proto užitečnou technikou pro měření efektivní hmotnosti a Fermiho povrchu v průřezu v pevných látkách. V dostatečně vysokém magnetickém poli při nízké teplotě v relativně čistém materiálu ${\ displaystyle m ^ {*}}$

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

kde je životnost rozptylu nosiče, je Boltzmannova konstanta a je teplota. Jsou-li tyto podmínky splněny, elektron dokončí svoji cyklotronovou dráhu, aniž by došlo ke kolizi, přičemž se říká, že je v dobře definované úrovni Landau. ${\ displaystyle \ tau}$ ${\ displaystyle k_ {B}}$ ${\ displaystyle T}$

Viz také

Reference

Další čtení

„Personal Reminiscences of Cyclotron Resonance,“ G. Dresselhaus, Proceedings of ICPS-27 (2004). Tento článek popisuje ranou historii cyklotronové rezonance v době svého největšího rozkvětu jako techniku stanovení struktury pásma .

Languages

In other projects