Elektron syklotronresonans - Electron cyclotron resonance

Elektron syklotronresonans er et fenomen som observeres i plasmafysikk, fysikk i kondensert stoff og akseleratorfysikk . Et elektron i et statisk og ensartet magnetfelt vil bevege seg i en sirkel på grunn av Lorentz-kraften . Den sirkulære bevegelsen kan overlegges med en jevn aksial bevegelse, noe som resulterer i en helix , eller med en jevn bevegelse vinkelrett på feltet (f.eks. I nærvær av et elektrisk eller gravitasjonsfelt) som resulterer i en syklose . Den vinkelfrekvens (ω = 2π f ) i denne syklotronen bevegelse for en bestemt magnetfeltstyrke B er gitt (i SI- enheter) etter

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

hvor er elementærladningen og er massen til elektronet. For den vanlige brukte mikrobølgefrekvensen 2,45 GHz og den nakne elektron ladning og masse, blir resonansbetingelsen oppfylt når B = 875 G = ,0875234740965 T . ${\ displaystyle e}$${\ displaystyle m}$  

For ladningspartikler q , elektronrestemasse m _{0, og} beveger seg med relativistiske hastigheter v , må formelen justeres i henhold til den spesielle relativitetsteorien til:

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

hvor

${\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ venstre ({\ frac {v} {c}} \ høyre) ^ {2}}}}}$.

I plasmafysikk

Et ionisert plasma kan produseres effektivt eller oppvarmet ved hjelp av overlagring av et statisk magnetfelt og et høyfrekvent elektromagnetisk felt på elektron syklotron resonans- frekvens. I toroidmagnetiske felt som brukes i forskning om magnetisk fusjonsenergi , avtar magnetfeltet med hovedradiusen, slik at plasseringen av kraftavsetningen kan kontrolleres innen omtrent en centimeter. Videre kan varmekraften moduleres raskt og settes direkte inn i elektronene. Disse egenskapene gjør at elektron-syklotronoppvarming er et veldig verdifullt forskningsverktøy for energitransportstudier. I tillegg til oppvarming, kan elektron syklotronbølger brukes til å drive strøm. Den omvendte prosessen med elektron-syklotronutslipp kan brukes som en diagnostikk av den radielle elektrontemperaturprofilen.

Eksempel på syklotronresonans mellom en ladet partikkel og lineært polarisert elektrisk felt (vist i grønt). Posisjon mot tid (øverste panel) vises som et rødt spor og hastigheten mot tiden (bunnpanelet) vises som et blått spor. Magnetfeltet i bakgrunnen er rettet mot observatøren. Merk at det sirkulært polariserte eksemplet nedenfor antar at det ikke er noen Lorentz-kraft på grunn av det bølgemagnetiske feltet som virker på den ladede partikkelen. Dette tilsvarer å si at den ladede partikkelens hastighet ortogonal til det bølgemagnetiske feltet er null.

Eksempel på syklotronresonans mellom en ladet partikkel og sirkulært polarisert elektrisk felt (vist i grønt). Posisjon mot tid (øverste panel) vises som et rødt spor og hastigheten mot tiden (bunnpanelet) vises som et blått spor. Magnetfeltet i bakgrunnen er rettet mot observatøren. Merk at det sirkulært polariserte eksemplet nedenfor antar at det ikke er noen Lorentz-kraft på grunn av det bølgemagnetiske feltet som virker på den ladede partikkelen. Dette tilsvarer å si at den ladede partikkelens hastighet ortogonal til det bølgemagnetiske feltet er null.

ECR-ionekilder

Siden begynnelsen av 1980-tallet, etter det prisbelønte pionerarbeidet som ble utført av Dr. Richard Geller , Dr. Claude Lyneis og Dr. H. Postma; henholdsvis fra French Atomic Energy Commission , Lawrence Berkeley National Laboratory og Oak Ridge National Laboratory , har bruken av elektron-syklotronresonans for effektiv plasma-generering, spesielt for å oppnå et stort antall multiladdede ioner, fått en unik betydning innen forskjellige teknologiske felt. Mange forskjellige aktiviteter er avhengige av elektronisk syklotronresonans teknologi, inkludert

• avansert kreftbehandling, hvor ECR- ionekilder er avgjørende for protonterapi ,
• avansert halvlederproduksjon , spesielt for DRAM- minner med høy tetthet , gjennom plasmaetsing eller annen plasma-prosesseringsteknologi ,
• elektriske fremdriftsinnretninger for romfartøy fremdrift , der et bredt spekter av enheter ( HiPEP , noen ion-thrustere , eller elektrodeløse plasma-thrustere ),
• for partikkelakseleratorer , masseseparasjon online og radioaktiv ioneavladeavl,
• og som et mer dagligdags eksempel, maling av plastfangere til biler.

ECR-ionekilden benytter seg av elektron-syklotronresonans for å ionisere et plasma. Mikrobølger injiseres i et volum med frekvensen som tilsvarer elektron-syklotronresonansen, definert av magnetfeltet påført et område inne i volumet. Volumet inneholder en gass med lavt trykk. Det vekslende elektriske feltet til mikrobølgene er satt til å være synkront med gyrasjonsperioden for de frie elektronene i gassen, og øker deres vinkelrett kinetiske energi. Deretter, når de strømførte frie elektronene kolliderer med gassen i volumet, kan de forårsake ionisering hvis deres kinetiske energi er større enn ioniseringsenergien til atomene eller molekylene. De fremstilte ionene tilsvarer den anvendte gasstypen, som kan være ren, en forbindelse eller damp av et fast eller flytende materiale.

ECR-ionekilder er i stand til å produsere enkeltladede ioner med høye intensiteter (f.eks. H ⁺ og D ⁺ -ioner på mer enn 100 mA (elektrisk) i DC-modus ved bruk av en 2,45 GHz ECR-ionekilde).

For multiladede ioner har ECR-ionekilden fordelene med at den er i stand til å begrense ionene lenge nok til at flere kollisjoner og multiple ionisering kan finne sted, og det lave gasstrykket i kilden unngår rekombinasjon. VENUS ECR-ionekilden ved Lawrence Berkeley National Laboratory har produsert en intensitet på 0,25 mA (elektrisk) av Bi ²⁹⁺ .

Noen viktige industrifelt ville ikke eksistert uten bruk av denne grunnleggende teknologien, som gjør elektron-syklotronresonansion og plasmakilder til en av de muliggjørende teknologiene i dagens verden.

I fysikk i kondensert stoff

Innen et faststoff erstattes massen i cyklotronfrekvensligningen ovenfor med den effektive massetensoren . Syklotronresonans er derfor en nyttig teknikk for å måle effektiv masse og Fermi overflatetverrsnitt i faste stoffer. I et tilstrekkelig høyt magnetfelt ved lav temperatur i et relativt rent materiale ${\ displaystyle m ^ {*}}$

${\ displaystyle {\ begynne {linje} \ omega _ {\ text {ce}} &> {\ frac {1} {\ tau}} \\\ hbar {\ omega} _ {\ text {ce}} &> K_ {B} t \\\ end {innrettet}}}$

hvor er transportørens spredningstid, er Boltzmanns konstante og temperatur. Når disse betingelsene er oppfylt, vil et elektron fullføre syklotronbanen uten å inngå i en kollisjon, på hvilket tidspunkt det sies å være i et godt definert Landau-nivå. ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle k_ {B}}$${\ displaystyle T}$

Se også

• Syklotronresonans
• syklotron
• ARC-ECRIS
• Ion syklotronresonans
• synkrotron
• gyrotron
• De Haas – van Alphen-effekten

referanser

Videre lesning

• "Personal Reminiscences of Cyclotron Resonance," G. Dresselhaus, Proceedings of ICPS-27 (2004). Dette dokumentet beskriver tidligere historie syklotron resonans som i en periode som en båndstruktur bestemmelsesteknikken.