Elektronová cyklotronová rezonance - Electron cyclotron resonance

Elektronová cyklotronová rezonance (Pokladna) je jev pozorovaný v fyzika plazmatu, fyzika kondenzovaných látek, a fyzika akcelerátoru. Stává se to, když se frekvence dopadajícího záření shoduje s přirozenou frekvencí otáčení elektronů v magnetických polích. Zdarma elektron ve statické a uniformě magnetické pole se bude pohybovat v kruhu kvůli Lorentzova síla. Kruhový pohyb může být superponován rovnoměrným axiálním pohybem, což má za následek a spirála, nebo s rovnoměrným pohybem kolmým na pole (např. v přítomnosti elektrického nebo gravitačního pole) vedoucí k cykloidní. The úhlová frekvence (ω = 2πF ) z toho cyklotron pohyb pro danou sílu magnetického pole B je uveden (v SI Jednotky)^[1] podle

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

.

kde ${ displaystyle e}$ je základní náboj a ${ displaystyle m}$ je hmotnost elektronu. Pro běžně používané mikrovlnná trouba frekvence 2,45 GHz a náboj a hmotnost holého elektronu, podmínka rezonance je splněna, když B = 875 G = 0.0875 T.

Pro částice náboje q, elektronová klidová hmotnost m_{0, např} pohybující se relativistickými rychlostmi proti, vzorec je třeba 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

Ionizovaný plazma mohou být efektivně vyráběny nebo ohřívány superpozicí statické elektřiny magnetické pole a vysokofrekvenční elektromagnetické pole na elektronovém cyklotronu rezonance frekvence. V toroidních magnetických polích používaných v energie magnetické fúze výzkum, magnetické pole klesá s hlavním poloměrem, takže umístění depozice energie může být řízeno asi za centimetr. 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 a diagnostický radiálního elektronového teplotního profilu.

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 je ekvivalentní 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 začátku 80. let, po oceněný průkopnická práce od Dr. Richard Geller,^[2] Dr. Claude Lyneis a Dr. H. Postma;^[3] respektive od Francouzská komise pro atomovou energii, Lawrence Berkeley National Laboratory a Národní laboratoř v Oak Ridge, využití elektronové cyklotronové rezonance pro efektivní generování plazmy, zejména pro 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 ECR iontové zdroje jsou rozhodující pro protonová terapie,
pokročilý výroba polovodičů, zejména pro vysokou hustotu DOUŠEK vzpomínky, skrz plazmové leptání nebo jiný zpracování plazmy technologie,
elektrický pohon zařízení pro pohon kosmické lodi, kde je k dispozici široká škála zařízení (HiPEP, někteří iontové trysky nebo bezelektrodové plazmové trysky ),
pro urychlovače částic, on-line hromadná separace a chov radioaktivních iontových nábojů,^[4]
a jako všednější příklad malování plastových nárazníků pro automobily.

Zdroj iontů ECR využívá elektronovou cyklotronovou rezonanci k ionizaci plazmy. Mikrovlny se vstřikují do objemu o 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, kterým může být čistý, sloučenina nebo pára pevného nebo kapalného materiálu.

Zdroje iontů ECR jsou schopny produkovat jednotlivě nabité ionty s vysokou intenzitou (např. H⁺ a D⁺ ionty více než 100 mA (elektrický) v DC režimu^[5] pomocí 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 kolizím a vícenásobné ionizaci, a nízký tlak plynu ve zdroji zabrání rekombinaci. Zdroj iontů VENUS ECR v Lawrence Berkeley National Laboratory vyrobil v intenzitě 0,25 mA (elektrický) o Bi²⁹⁺.^[6]

Některá důležitá průmyslová pole by neexistovala bez použití této základní technologie, díky níž jsou zdroje elektronových cyklotronových rezonančních iontů a plazmy jednou z umožňujících technologií dnešního světa.

Ve fyzice kondenzovaných látek

V tělese je hmota ve výše uvedené cyklotronové frekvenční rovnici nahrazena hmotou efektivní hmotnost tenzor ${ displaystyle m ^ {*}}$ . Cyklotronová rezonance je proto užitečnou technikou pro měření efektivní hmotnost a Fermiho povrch průřez v pevných látkách. V dostatečně vysokém magnetickém poli při nízké teplotě v relativně čistém materiálu

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

kde ${ displaystyle tau}$ je životnost rozptylu nosiče, ${ displaystyle k_ {B}}$ je Boltzmannova konstanta a ${ displaystyle T}$ 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.

Viz také

Reference

^ V jednotkách SI elementární náboj E má hodnotu 1,602 × 10⁻¹⁹ coulombs, hmotnost elektronu m_E má hodnotu 9,109 × 10⁻³¹ kilogramů, magnetické pole B se měří v teslas a úhlová frekvence ω se měří v radiány za vteřinu.
^ R. Geller, Peroc. 1. int. Ošidit. Ion Source, Saclay, str. 537, 1969
^ H. Postma (1970). "Mnohonásobně nabité těžké ionty produkované energetickými plazmy". Fyzikální písmena A. 31 (4): 196. Bibcode:1970PhLA ... 31..196P. doi:10.1016/0375-9601(70)90921-7.
^ Příručka zdroje iontů, B. Vlk, ISBN 0-8493-2502-1, str. 136-146
^ R. Gobin a kol., Stav zdroje světelných iontů Saclay s vysokou intenzitou Euro. Konf. Urychlovač částic 2002, Paříž, Francie, červen 2002, str. 1712
^ VENUS odhaluje budoucnost zdrojů těžkých iontů Kurýr CERN, 6. května 2005

Další čtení

„Osobní vzpomínky na cyklotronovou rezonanci,“ G. Dresselhaus, Proceedings of ICPS-27 (2004). Tento článek popisuje ranou historii cyklotronové rezonance v době jejího největšího rozkvětu jako a struktura pásma technika stanovení.

[1] V jednotkách SI elementární náboj E má hodnotu 1,602 × 10⁻¹⁹ coulombs, hmotnost elektronu m_E má hodnotu 9,109 × 10⁻³¹ kilogramů, magnetické pole B se měří v teslas a úhlová frekvence ω se měří v radiány za vteřinu.

[2] R. Geller, Peroc. 1. int. Ošidit. Ion Source, Saclay, str. 537, 1969

[3] H. Postma (1970). "Mnohonásobně nabité těžké ionty produkované energetickými plazmy". Fyzikální písmena A. 31 (4): 196. Bibcode:1970PhLA ... 31..196P. doi:10.1016/0375-9601(70)90921-7.

[4] Příručka zdroje iontů, B. Vlk, ISBN 0-8493-2502-1, str. 136-146

[5] R. Gobin a kol., Stav zdroje světelných iontů Saclay s vysokou intenzitou Euro. Konf. Urychlovač částic 2002, Paříž, Francie, červen 2002, str. 1712

[6] VENUS odhaluje budoucnost zdrojů těžkých iontů Kurýr CERN, 6. května 2005

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]