Resonancia de ciclotrón de electrones
La resonancia ciclotrónica de electrones ( ECR ) es un fenómeno observado en la física del plasma , la física de la materia condensada y la física del acelerador . Ocurre cuando la frecuencia de la radiación incidente coincide con la frecuencia natural de rotación de los electrones en los campos magnéticos. Un electrón libre en un campo magnético estático y uniforme se moverá en un círculo debido a la fuerza de Lorentz . El movimiento circular se puede superponer con un movimiento axial uniforme, lo que da como resultado una hélice , o con un movimiento uniforme perpendicular al campo (p. ej., en presencia de un campo eléctrico o gravitacional) que da como resultado una cicloide .. La frecuencia angular (ω = 2π f ) de este movimiento de ciclotrón para una intensidad de campo magnético dada B viene dada (en unidades SI ) [1] por
donde es la carga elemental y es la masa del electrón. Para la frecuencia de microondas comúnmente utilizada de 2,45 GHz y la carga y masa del electrón desnudo, la condición de resonancia se cumple cuando B = 875 G = 0,0875 T .
Para partículas de carga q , masa en reposo de electrones m 0,e moviéndose a velocidades relativistas v , la fórmula debe ajustarse de acuerdo con la teoría especial de la relatividad para:
Un plasma ionizado se puede producir o calentar de manera eficiente superponiendo un campo magnético estático y un campo electromagnético de alta frecuencia a la frecuencia de resonancia del ciclotrón de electrones . En los campos magnéticos toroidales utilizados en la investigación de energía de fusión magnética , el campo magnético disminuye con el radio mayor, por lo que la ubicación de la deposición de energía se puede controlar dentro de aproximadamente un centímetro. Además, la potencia de calentamiento se puede modular rápidamente y se deposita directamente en los electrones. Estas propiedades hacen que el calentamiento por ciclotrones de electrones sea una herramienta de investigación muy valiosa para los estudios de transporte de energía. Además del calentamiento, las ondas de ciclotrón de electrones se pueden utilizar para impulsar la corriente. El proceso inverso deLa emisión de ciclotrón de electrones se puede utilizar como un diagnóstico del perfil de temperatura de electrones radiales.
Desde principios de la década de 1980, siguiendo el trabajo pionero galardonado realizado por el Dr. Richard Geller , [2] el Dr. Claude Lyneis y el Dr. H. Postma; [3] respectivamente de la Comisión de Energía Atómica de Francia , el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge , el uso de la resonancia de ciclotrón de electrones para la generación eficiente de plasma, especialmente para obtener grandes cantidades de iones de carga múltiple, ha adquirido una importancia única en diversas tecnologías. campos. Muchas actividades diversas dependen de la tecnología de resonancia de ciclotrón de electrones, incluyendo
La fuente de iones ECR utiliza la resonancia del ciclotrón de electrones para ionizar un plasma. Las microondas se inyectan en un volumen a la frecuencia correspondiente a la resonancia del ciclotrón de electrones, definida por el campo magnético aplicado a una región dentro del volumen. El volumen contiene un gas a baja presión. El campo eléctrico alterno de las microondas se ajusta para que sea sincrónico con el período de giro de los electrones libres del gas, y aumenta su energía cinética perpendicular. Posteriormente, cuando los electrones libres energizados chocan con el gas en el volumen, pueden causar ionización si su energía cinética es mayor que la energía de ionización de los átomos o moléculas. Los iones producidos corresponden al tipo de gas utilizado, que puede ser puro, compuesto o vapor de un material sólido o líquido.