Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Электронный циклотронный резонанс (ЭЦР) – это явление, наблюдаемое в физике плазмы, физике конденсированного состояния и физике ускорителей. Оно возникает, когда частота падающего излучения совпадает с собственной частотой вращения электронов в магнитном поле. Свободный электрон в статическом и однородном магнитном поле движется по окружности под действием силы Лоренца. Это круговое движение может быть суперпонировано с равномерным осевым движением, образуя спираль, или с равномерным движением перпендикулярно полю (например, в присутствии электрического или гравитационного поля), образуя циклоиду. Угловая частота (ω = 2πf) этого циклотронного движения для заданной напряженности магнитного поля B выражается (в системе СИ) следующим образом:
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
где e – элементарный заряд, а me – масса электрона. Для частоты микроволнового излучения, обычно используемой 2,45 ГГц, и при известных значениях заряда и массы электрона, условие резонанса выполняется при B = 875 Гс = 0,0875 Тл. Для частиц с зарядом q, массой покоя m0,e, движущихся с релятивистскими скоростями v, формула должна быть скорректирована в соответствии со специальной теорией относительности:
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:
где
where
.
.
В физике плазмы
Ионизированную плазму можно эффективно создавать или нагревать, накладывая статическое магнитное поле и высокочастотное электромагнитное поле на частоте электронного циклотронного резонанса. В тороидальных магнитных полях, используемых в исследованиях в области управляемого термоядерного синтеза, напряженность магнитного поля уменьшается с увеличением главного радиуса, поэтому место поглощения энергии можно контролировать с точностью до сантиметра. Более того, мощность нагрева может быть быстро модулирована и откладывается непосредственно в электроны. Эти свойства делают электронный циклотронный нагрев очень ценным исследовательским инструментом для изучения транспорта энергии. Помимо нагрева, электронные циклотронные волны могут использоваться для создания тока. Обратный процесс – электронное циклотронное излучение – может служить диагностическим инструментом для определения радиального профиля электронной температуры.
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.
В физике конденсированной материи
Внутри твердого тела масса в приведенном выше уравнении для циклотронной частоты заменяется на тензор эффективной массы. Циклотронный резонанс, таким образом, является полезным методом для измерения эффективной массы и площади сечения поверхности Ферми в твердых телах. В достаточно сильном магнитном поле при низкой температуре в относительно чистом материале
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
где – время жизни носителя заряда, – постоянная Больцмана и – температура. При выполнении этих условий электрон завершит свою циклотронную орбиту, не испытывая столкновений, и в этот момент будет находиться в четко определенном уровне Ландау.
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.