Resonancia ciclotrónica electrónica

La resonancia ciclotrónica electrónica ( ECR ) es un fenómeno observado en la física del plasma , la física de la materia condensada y la física de aceleradores . Ocurre cuando la frecuencia de la radiación incidente coincide con la frecuencia natural de rotación de los electrones en 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 un cicloide . La frecuencia angular ( ω  = 2 π f ) de este movimiento ciclotrónico para una intensidad de campo magnético dada B se da (en unidades del 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 = ${\displaystyle e}$ ${\displaystyle m}$0,0875  T.​

Para un electrón que se mueve a velocidades relativistas v , la fórmula debe ajustarse de acuerdo con la teoría especial de la relatividad a:

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

dónde

• m _e es la masa en reposo del electrón
• ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}}$.

En física del plasma

Se puede producir o calentar de manera eficiente un plasma ionizado superponiendo un campo magnético estático y un campo electromagnético de alta frecuencia a la frecuencia de resonancia del ciclotrón electrónico . 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 con una precisión 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 del ciclotrón electrónico sea una herramienta de investigación muy valiosa para los estudios de transporte de energía. Además del calentamiento, las ondas del ciclotrón electrónico se pueden utilizar para impulsar la corriente. El proceso inverso de la emisión del ciclotrón electrónico se puede utilizar como diagnóstico del perfil radial de temperatura de los electrones.

Fuentes de iones ECR

Desde principios de los años 1980, tras el trabajo pionero y premiado realizado por el Dr. Richard Geller , ^[2] el Dr. Claude Lyneis y el Dr. H. Postma; ^[3] respectivamente de la Comisión de Energía Atómica Francesa , el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio Nacional Oak Ridge , el uso de la resonancia ciclotrónica electrónica para la generación eficiente de plasma, especialmente para obtener grandes cantidades de iones con carga múltiple, ha adquirido una importancia única en varios campos tecnológicos. Muchas actividades diversas dependen de la tecnología de resonancia ciclotrónica electrónica, incluyendo

• 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 de plasma u otras tecnologías de procesamiento de plasma ,
• dispositivos de propulsión eléctrica para la propulsión de naves espaciales , donde se utiliza una amplia gama de dispositivos ( HiPEP , algunos propulsores iónicos o propulsores de plasma sin electrodos ),
• Para aceleradores de partículas , separación de masa en línea y reproducción de carga 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 ciclotrónica electrónica para ionizar un plasma. Se inyectan microondas en un volumen a la frecuencia correspondiente a la resonancia ciclotrónica electrónica, 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 con carga simple y 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).

En el caso de iones con cargas múltiples, 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 ionizaciones, y la baja presión de gas en la fuente evita la recombinación. La fuente de iones ECR VENUS 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 por resonancia ciclotrónica de electrones sean una de las tecnologías facilitadoras 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 por el tensor de masa efectiva . Por lo tanto, la resonancia del 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 ${\displaystyle m^{*}}$

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

donde es el tiempo de vida 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 entrar en colisión, momento en el cual se dice que se encuentra en un nivel de Landau bien definido. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle k_{\text{B}}}$ ${\displaystyle T}$

Véase también

• Resonancia ciclotrónica
• Ciclotrón
• ARC-ECRIS
• Resonancia ciclotrónica iónica
• Sincrotrón
• Girotrón
• Efecto De Haas-van Alphen

Referencias

1. En unidades del SI, la carga elemental e tiene el valor1.602 × 10 ⁻¹⁹  C , la masa del electrón m _e tiene el valor9,109 × 10 ⁻³¹  kg , el campo magnético B se mide en teslas y la frecuencia angular ω se mide en radianes por segundo.
2. R. Geller, Peroc. 1.ª Conferencia Internacional sobre Fuentes de Iones, Saclay, pág. 537, 1969
3. H. Postma (1970). "Iones pesados ​​con carga múltiple producidos por plasmas energéticos". Physics Letters A . 31 (4): 196. Bibcode :1970PhLA...31..196P. doi :10.1016/0375-9601(70)90921-7.
4. Manual de fuentes de iones , B. Wolf, ISBN 0-8493-2502-1 , págs. 136-146 
5. R. Gobin et al., Saclay High Intensity Light Ion Source Status The Euro. Conferencia sobre aceleradores de partículas 2002, París, Francia, junio de 2002, pág. 1712
6. VENUS revela el futuro de las fuentes de iones pesados ​​CERN Courier, 6 de mayo de 2005

Lectura adicional

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