Resonancia de ciclotrón electrónico

La resonancia ciclotrón de electrones ( ECR ) es un fenómeno observado en la física del plasma , la física de la materia condensada y la física de los aceleradores . 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 círculo debido a la fuerza de Lorentz . El movimiento circular puede superponerse a un movimiento axial uniforme, dando como resultado una hélice , o con un movimiento uniforme perpendicular al campo (por ejemplo, en presencia de un campo eléctrico o gravitacional) dando como resultado una cicloide . La frecuencia angular (ω = 2π f ) de este movimiento ciclotrón para una intensidad de campo magnético dada B viene dada (en unidades SI ) ^[1] por

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

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. ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle m}$  

Para partículas de carga q , masa en reposo del electrón m _0,e que se mueven a velocidades relativistas v , la fórmula debe ajustarse de acuerdo con la teoría especial de la relatividad para:

${\displaystyle \omega _{\text{ce}}={\frac {eB}{\gamma m_{0,{\text{e}}}}}}$

dónde

${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}}$.

En física del plasma

Un plasma ionizado se puede producir o calentar eficientemente superponiendo un campo magnético estático y un campo electromagnético de alta frecuencia en 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 mayor, por lo que la ubicación de la deposición de energía se puede controlar dentro de aproximadamente un centímetro. Además, la potencia calorífica 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 de calentar, se pueden utilizar ondas de ciclotrón de electrones para impulsar la corriente. El proceso inverso de emisión de ciclotrón de electrones se puede utilizar como diagnóstico del perfil de temperatura de los electrones radiales.

Fuentes de iones ECR

Desde principios de la década de 1980, tras el galardonado trabajo pionero 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 ciclotrón de electrones para la generación eficiente de plasma, especialmente para obtener grandes cantidades de iones con carga múltiple, ha adquirido una importancia única en diversos ámbitos tecnológicos. campos. Muchas actividades diversas dependen de la tecnología de resonancia de ciclotrón electrónico, incluidas

• 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 por plasma u otras tecnologías de procesamiento de plasma ,
• Dispositivos de propulsión eléctrica para la propulsión de naves espaciales , donde existe 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 cría de cargas de iones radiactivos, ^[4]
• y, como ejemplo más mundano, la pintura de parachoques de plástico para automóviles.

La fuente de iones ECR utiliza la resonancia del ciclotrón electrónico 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 es 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 provocar 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.

Las fuentes de iones ECR son capaces de 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 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 e ionización, 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 iones y plasma de resonancia de ciclotrón 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 efectiva . Por lo tanto, la resonancia ciclotrón es 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 ${\displaystyle m^{*}}$

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

donde es la vida útil de dispersión del portador, es la constante de Boltzmann y es la temperatura. Cuando se cumplen estas condiciones, un electrón completará su órbita ciclotrón sin colisión, momento en el que se dice que se encuentra en un nivel de Landau bien definido. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle k_{B}}$ ${\displaystyle T}$

Ver también

• resonancia ciclotrón
• Ciclotrón
• ARCO-ECRIS
• Resonancia de ciclotrón de iones
• sincrotrón
• girotrón
• Efecto De Haas-van Alphen

Referencias

1. 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.
2. R. Geller, Peroc. 1º Int. Estafa. Fuente de iones, Saclay, pág. 537, 1969
3. H. Postma (1970). "Iones pesados ​​con carga múltiple producidos por plasmas energéticos". Letras de Física A. 31 (4): 196. Código bibliográfico : 1970PhLA...31..196P. doi :10.1016/0375-9601(70)90921-7.
4. Manual de fuente de iones , B. Wolf, ISBN 0-8493-2502-1 , págs. 136-146 
5. R. Gobin et al., Estado de la fuente de iones ligeros de alta intensidad Saclay El euro. Acelerador de partículas Conf. 2002, París, Francia, junio de 2002, p. 1712
6. VENUS revela el futuro de las fuentes de iones pesados ​​CERN Courier, 6 de mayo de 2005

Otras lecturas

• "Reminiscencias personales de la resonancia ciclotrón", G. Dresselhaus, Actas de ICPS-27 (2004). Este artículo describe la historia temprana de la resonancia ciclotrón en su apogeo como técnica de determinación de la estructura de bandas .