Ressonància del ciclotró electrònic

La ressonància de ciclotrons electrònics (ECR) és un fenomen observat en la física del plasma, la física de la matèria condensada i la física dels acceleradors. Succeeix quan la freqüència de la radiació incident coincideix amb la freqüència natural de rotació dels electrons en els camps magnètics. Un electró lliure en un camp magnètic estàtic i uniforme es mourà en cercle a causa de la força de Lorentz. El moviment circular es pot superposar amb un moviment axial uniforme, donant lloc a una hèlix, o amb un moviment uniforme perpendicular al camp (per exemple, en presència d'un camp elèctric o gravitatori) que resulta en una cicloide. La freqüència angular (ω = 2 π f ) d'aquest moviment de ciclotró per a una intensitat de camp magnètica donada B ve donada (en unitats SI) per

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

on $e$ és la càrrega elemental i $m$ és la massa de l'electró. Per a la freqüència de microones d'ús habitual 2,45 GHz i la càrrega i massa d'electrons nus, la condició de ressonància es compleix quan B = 0,0875 T.

Per als electrons que es mouen a velocitats relativistes v, la fórmula s'ha d'ajustar segons la teoria especial de la relativitat a:

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

on

• m _e és la massa d'electrons en repòs
• $\gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}$.

Exemple de ressonància de ciclotró entre una partícula carregada i un camp elèctric polaritzat linealment (mostrat en verd). La posició en funció del temps (tauler superior) es mostra com a traça vermella i la velocitat en funció del temps (tauler inferior) es mostra com a traça blava. El camp magnètic de fons es dirigeix cap a l'observador. Tingueu en compte que l'exemple de polarització circular següent suposa que no hi ha força de Lorentz a causa del camp magnètic d'ona que actua sobre la partícula carregada. Això equival a dir que la velocitat de la partícula carregada ortogonal al camp magnètic de l'ona és zero.

En física del plasma

Un plasma ionitzat es pot produir o escalfar de manera eficient superposant un camp magnètic estàtic i un camp electromagnètic d'alta freqüència a la freqüència de ressonància del ciclotró electrònic. En els camps magnètics toroidals utilitzats en la investigació d'energia de fusió magnètica, el camp magnètic disminueix amb el radi principal, de manera que la ubicació de la deposició de potència es pot controlar en un centímetre aproximadament. A més, la potència de calefacció es pot modular ràpidament i es diposita directament als electrons. Aquestes propietats fan que l'escalfament del ciclotró electrònic sigui una eina de recerca molt valuosa per als estudis de transport d'energia. A més de l'escalfament, les ones de ciclotró electrònic es poden utilitzar per impulsar el corrent. El procés invers d'emissió de ciclotró electrònic es pot utilitzar com a diagnòstic del perfil de temperatura radial d'electrons.

Fonts d'ions ECR

Des de principis de la dècada de 1980, després del premiat treball pioner realitzat pel Dr. Richard Geller, Dr. Claude Lyneis i Dr. H. Postma; respectivament, de la Comissió francesa d'Energia Atòmica, Lawrence Berkeley National Laboratory i Oak Ridge National Laboratory, l'ús de la ressonància del ciclotró electrònic per a la generació eficient de plasma, especialment per obtenir un gran nombre d'ions de càrrega múltiple, ha adquirit una importància única en diverses tecnologies. camps. Moltes activitats diverses depenen de la tecnologia de ressonància del ciclotró electrònic, inclosa

• tractament avançat del càncer, on les fonts d'ions ECR són crucials per a la teràpia de protons,
• fabricació avançada de semiconductors, especialment per a memòries DRAM d'alta densitat, mitjançant gravat per plasma o altres tecnologies de processament de plasma,
• dispositius de propulsió elèctrica per a la propulsió de naus espacials, on hi ha una àmplia gamma de dispositius (HIPEP, alguns propulsors d'ions o propulsors de plasma sense elèctrodes),
• per a acceleradors de partícules, separació de massa en línia i reproducció de càrrega d'ions radioactius,
• i, com a exemple més mundà, pintar para-xocs de plàstic per a cotxes.

En física de la matèria condensada

Dins d'un sòlid, la massa de l'equació de freqüència del ciclotró anterior es substitueix pel tensor de massa efectiva $m^{*}$. Per tant, la ressonància de ciclotró és una tècnica útil per mesurar la massa efectiva i la secció transversal de la superfície de Fermi en sòlids. En un camp magnètic prou alt a baixa temperatura en un material relativament pur

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

on $\tau$ és la vida útil de dispersió del portador, $k_{\text{B}}$ és la constant de Boltzmann i $T$ és la temperatura. Quan es compleixen aquestes condicions, un electró completarà la seva òrbita de ciclotró sense participar en una col·lisió, moment en què es diu que es troba en un nivell Landau ben definit.