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 puede superponerse con un movimiento axial uniforme, lo que da como resultado una hélice , o con un movimiento uniforme perpendicular al campo (por ejemplo, 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
- .
dónde es la carga elemental yes la masa del electrón. Para el uso común de microondas de frecuencia 2,45 GHz y la carga del electrón desnudo y la masa, la condición de resonancia se cumple cuando B = 875 G = 0,0875 T .
Para partículas de carga q , masa de electrones en reposo m 0, e moviéndose a velocidades relativistas v , la fórmula debe ajustarse de acuerdo con la teoría especial de la relatividad a:
dónde
- .
En física del plasma
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 la energía de fusión magnética , el campo magnético disminuye con el radio principal, por lo que la ubicación de la deposición de energía se puede controlar en 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 ciclotrón 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 de emisión de ciclotrón de electrones se puede utilizar como diagnóstico del perfil de temperatura de electrones radiales.
![]() Ejemplo de resonancia de ciclotrón entre una partícula cargada y un campo eléctrico polarizado linealmente (mostrado en verde). La posición frente al tiempo (panel superior) se muestra como un trazo rojo y la velocidad frente al tiempo (panel inferior) se muestra como un trazo azul. El campo magnético de fondo se dirige hacia el observador. Tenga en cuenta que el siguiente ejemplo polarizado circularmente asume que no hay fuerza de Lorentz debido al campo magnético de onda que actúa sobre la partícula cargada. Esto equivale a decir que la velocidad de la partícula cargada ortogonal al campo magnético de la onda es cero. | ![]() Ejemplo de resonancia de ciclotrón entre una partícula cargada y un campo eléctrico polarizado circularmente (mostrado en verde). La posición frente al tiempo (panel superior) se muestra como un trazo rojo y la velocidad frente al tiempo (panel inferior) se muestra como un trazo azul. El campo magnético de fondo se dirige hacia el observador. Tenga en cuenta que el siguiente ejemplo polarizado circularmente asume que no hay fuerza de Lorentz debido al campo magnético de onda que actúa sobre la partícula cargada. Esto equivale a decir que la velocidad de la partícula cargada ortogonal al campo magnético de la onda es cero. |
Fuentes de iones ECR
Desde principios de la década de 1980, tras el trabajo pionero y galardonado realizado por el Dr. Richard Geller , [2] el Dr. Claude Lyneis y el Dr. H. Postma; [3] respectivamente de la Comisión Francesa de Energía Atómica , el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional Oak Ridge , el uso de la resonancia ciclotrónica de electrones para la generación eficiente de plasma, especialmente para obtener un gran número de iones con carga múltiple, ha adquirido una importancia única en diversas tecnologías. campos. Muchas actividades diversas dependen de la tecnología de resonancia ciclotrónica de electrones, que incluyen
- tratamiento avanzado del cáncer, donde las fuentes de iones ECR son cruciales para la terapia de protones ,
- fabricación avanzada de semiconductores , especialmente para memorias DRAM de alta densidad , mediante grabado con plasma u otras tecnologías de procesamiento de plasma ,
- dispositivos de propulsión eléctrica para la propulsión de naves espaciales , donde una amplia gama de dispositivos ( HiPEP , algunos propulsores de iones o propulsores de plasma sin electrodos ),
- para aceleradores de partículas , separación de masas en línea y reproducción de cargas de iones radiactivos, [4]
- y, como un ejemplo más mundano, pintura de parachoques de plástico para automóviles.
La fuente de iones ECR utiliza la resonancia ciclotrónica 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 establece 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, un compuesto o vapor de un material sólido o líquido.
Las fuentes de iones ECR pueden producir iones cargados individualmente con altas intensidades (por ejemplo, iones H + y D + de más de 100 mA (eléctricos) en modo CC [5] utilizando una fuente de iones ECR de 2,45 GHz).
Para los iones con carga múltiple, la fuente de iones ECR tiene la ventaja de que puede confinar los iones durante el tiempo suficiente para que se produzcan múltiples colisiones y múltiples ionizaciones, y la baja presión del gas en la fuente evita la recombinación. La fuente de iones VENUS ECR del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley ha producido una intensidad de 0,25 mA (eléctrica) de Bi 29+ . [6]
Algunos campos industriales importantes no existirían sin el uso de esta tecnología fundamental, que hace que las fuentes de plasma e iones de resonancia ciclotrónica de electrones sean una de las tecnologías habilitadoras del mundo actual.
En física de la materia condensada
Dentro de un sólido, la masa en la ecuación de frecuencia del ciclotrón anterior se reemplaza con el tensor de masa efectivo. La resonancia ciclotrónica es, por tanto, una técnica útil para medir la masa efectiva y la sección transversal de la superficie de Fermi en sólidos. En un campo magnético suficientemente alto a baja temperatura en un material relativamente puro
dónde es la vida útil de dispersión del portador, es la constante de Boltzmann yes la temperatura. Cuando se satisfacen estas condiciones, un electrón completará su órbita ciclotrónica sin entrar en colisión, momento en el que se dice que está en un nivel de Landau bien definido.
Ver también
- Resonancia ciclotrónica
- Ciclotrón
- ARC-ECRIS
- Resonancia ciclotrónica de iones
- Sincrotrón
- Gyrotron
- Efecto De Haas-van Alphen
Referencias
- ^ En unidades SI, la carga elemental e tiene el valor 1,602 × 10 −19 culombios , la masa del electrón m e tiene el valor 9,109 × 10 −31 kilogramos, el campo magnético B se mide en teslas y la frecuencia angular ω se mide en radianes por segundo.
- ^ R. Geller, Peroc. 1er Int. Estafa. Ion Source, Saclay, pág. 537, 1969
- ^ H. Postma (1970). "Iones pesados de carga múltiple producidos por plasmas energéticos". Physics Letters A . 31 (4): 196. Código bibliográfico : 1970PhLA ... 31..196P . doi : 10.1016 / 0375-9601 (70) 90921-7 .
- ^ Manual de fuente de iones , B. Wolf, ISBN 0-8493-2502-1 , p136-146
- ^ R. Gobin et al., Estado de fuente de iones de luz de alta intensidad de Saclay El euro. Acelerador de partículas Conf. 2002, París, Francia, junio de 2002, p1712
- ^ VENUS revela el futuro de las fuentes de iones pesados CERN Courier, 6 de mayo de 2005
Otras lecturas
- "Reminiscencias personales de resonancia ciclotrónica", G. Dresselhaus, Actas de ICPS-27 (2004). Este artículo describe la historia temprana de la resonancia de ciclotrón en su apogeo como una técnica de determinación de la estructura de bandas .