Электрондық циклотрон резонансы және оның қолданылуы
Electron cyclotron resonance
Электрондық циклотрон резонансы (ЭЦР) – плазма физикасы құбылысы. Электрондардың магнит өрісінде айналу жиілігіне сәйкес келеді. Теориясы, формуласы түсіндіріледі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Электрондық циклотрондық резонанс (ЭЦР) – плазма физикасы, конденсирленген зат физикасы және үдеткіш физика салаларында кездесетін құбылыс. Бұл, сәулеленудің жиілігі магнит өрісіндегі электрондардың табиғи айналу жиілігімен сәйкес келгенде болады. Статикалық және біркелкі магнит өрісіндегі еркін электрон Лоренц күшінің әсерінен шеңбер бойымен қозғалады. Бұл шеңберлік қозғалыс біркелкі осьтік қозғалыспен бірігіп, спираль немесе өріске перпендикуляр біркелкі қозғалыс (мысалы, электрлік немесе гравитациялық өріс болған жағдайда) циклоидасын құрауы мүмкін. Осы циклотрон қозғалысының бұрыштық жиілігі (ω = 2πf) белгілі бір магнит өрісінің күштілігі B үшін (SI бірліктерінде) келесідей беріледі:
Electron cyclotron resonance (ECR) is a phenomenon observed in plasma physics, condensed matter physics, and accelerator physics. It happens when the frequency of incident radiation coincides with the natural frequency of rotation of electrons in magnetic fields. A free electron in a static and uniform magnetic field will move in a circle due to the Lorentz force. The circular motion may be superimposed with a uniform axial motion, resulting in a helix, or with a uniform motion perpendicular to the field (e. g., in the presence of an electrical or gravitational field) resulting in a cycloid. The angular frequency (ω = 2πf ) of this cyclotron motion for a given magnetic field strength B is given (in SI units) by
where is the elementary charge and is the mass of the electron. For the commonly used microwave frequency 2.45 GHz and the bare electron charge and mass, the resonance condition is met when B = 875G = 0.0875T. For particles of charge q, electron rest mass m0,e moving at relativistic speeds v, the formula needs to be adjusted according to the special theory of relativity to:
where
.
мұнда – элементарлық заряд, – электронның массасы. Көбінесе қолданылатын 2,45 ГГц микротолқын жиілігі және электронның заряды мен массасы үшін резонанс шарты B = 875 Гс = 0,0875 Тл болғанда орындалады. Q заряды бар, m0,e тыныштықтағы массасы бар және v релятивистік жылдамдықпен қозғалатын бөлшектер үшін формуланы арнайы салыстырмалылық теориясына сәйкес келесідей түзету керек:
Electron cyclotron resonance (ECR) is a phenomenon observed in plasma physics, condensed matter physics, and accelerator physics. It happens when the frequency of incident radiation coincides with the natural frequency of rotation of electrons in magnetic fields. A free electron in a static and uniform magnetic field will move in a circle due to the Lorentz force. The circular motion may be superimposed with a uniform axial motion, resulting in a helix, or with a uniform motion perpendicular to the field (e. g., in the presence of an electrical or gravitational field) resulting in a cycloid. The angular frequency (ω = 2πf ) of this cyclotron motion for a given magnetic field strength B is given (in SI units) by
where is the elementary charge and is the mass of the electron. For the commonly used microwave frequency 2.45 GHz and the bare electron charge and mass, the resonance condition is met when B = 875G = 0.0875T. For particles of charge q, electron rest mass m0,e moving at relativistic speeds v, the formula needs to be adjusted according to the special theory of relativity to:
where
.
мұнда .
Electron cyclotron resonance (ECR) is a phenomenon observed in plasma physics, condensed matter physics, and accelerator physics. It happens when the frequency of incident radiation coincides with the natural frequency of rotation of electrons in magnetic fields. A free electron in a static and uniform magnetic field will move in a circle due to the Lorentz force. The circular motion may be superimposed with a uniform axial motion, resulting in a helix, or with a uniform motion perpendicular to the field (e. g., in the presence of an electrical or gravitational field) resulting in a cycloid. The angular frequency (ω = 2πf ) of this cyclotron motion for a given magnetic field strength B is given (in SI units) by
where is the elementary charge and is the mass of the electron. For the commonly used microwave frequency 2.45 GHz and the bare electron charge and mass, the resonance condition is met when B = 875G = 0.0875T. For particles of charge q, electron rest mass m0,e moving at relativistic speeds v, the formula needs to be adjusted according to the special theory of relativity to:
where
.
Плазма физикасында
Иондалған плазманы статикалық магнит өрісі мен электрондық циклотрон резонанс жиілігіндегі жоғары жиілікті электромагниттік өрісті біріктіру арқылы тиімді өндіруге немесе қыздыруға болады. Магниттік термоядролық энергия зерттеулерінде қолданылатын тороидтік магнит өрістерінде магнит өрісі негізгі радиуспен бірге кемиді, сондықтан қуаттың шоғырлану орны шамамен бір сантиметр дәлдікпен басқарылуы мүмкін. Бұдан әрі, қыздыру қуатын жылдам модуляциялауға болады және ол тікелей электрондарға беріледі. Осы қасиеттері электрондық циклотрон қыздыруын энергия тасымалдау зерттеулері үшін өте құнды зерттеу құралы етеді. Қыздырудан басқа, электрондық циклотрон толқындары токты қозғау үшін де қолданылуы мүмкін. Электрондық циклотрон шығарылымының кері процесі радиалды электрон температурасы профилін диагностикалауға пайдаланылуы мүмкін.
An ionized plasma may be efficiently produced or heated by superimposing a static magnetic field and a high frequency electromagnetic field at the electron cyclotron resonance frequency. In the toroidal magnetic fields used in magnetic fusion energy research, the magnetic field decreases with the major radius, so the location of the power deposition can be controlled within about a centimeter. Furthermore, the heating power can be rapidly modulated and is deposited directly into the electrons. These properties make electron cyclotron heating a very valuable research tool for energy transport studies. In addition to heating, electron cyclotron waves can be used to drive current. The inverse process of electron cyclotron emission can be used as a diagnostic of the radial electron temperature profile.
Конденсацияланған материя физикасында
Қатты дене ішінде циклотрон жиілік теңдеуіндегі масса тиімді масса тензорымен алмастырылады. Сондықтан циклотрон резонансы – қатты денелерде тиімді массаны және Ферми бетінің қимасын өлшеуге пайдалы техника. Жеткілікті түрде жоғары магниттік өріс және төмен температурада, салыстырмалы түрде таза материалда
Within a solid the mass in the cyclotron frequency equation above is replaced with the effective mass tensor Cyclotron resonance is therefore a useful technique to measure effective mass and Fermi surface cross section in solids. In a sufficiently high magnetic field at low temperature in a relatively pure material
мұндағы – тасымалдаушының шашырау өмір сүру уақыты, – Больцман тұрақтысы және – температура. Бұл шарттар орындалғанда, электрон кез келген соқтығысуға түспей циклотрон орбитасын толықтай аяқтайды, және осы кезде ол жақсы анықталған Ландау деңгейінде екені айтылады.
where is the carrier scattering lifetime, is Boltzmann's constant and is temperature. When these conditions are satisfied, an electron will complete its cyclotron orbit without engaging in a collision, at which point it is said to be in a well defined Landau level.