전자 사이클로트론 공명

전자 사이클로트론 공명(ECR)은 플라즈마 물리학, 응축 물질 물리학 및 가속기 물리학에서 관찰되는 현상입니다.입사 방사선의 주파수가 자기장 내 전자의 자연 회전 주파수와 일치할 때 발생합니다.정적이고 균일한 자기장의 자유 전자는 로렌츠 힘에 의해 원을 그리며 움직입니다.원운동은 균일한 축운동으로 중첩되어 나선이 생성되거나 (예를 들어 전기장 또는 중력장이 존재하는 경우) 장에 수직인 균일한 운동으로 인해 사이클로이드가 생성될 수 있다.주어진 자기장 강도 B에 대한 사이클로트론 운동의 각 주파수(θ = 2µf )는 다음과 같이 주어진다.^[1]

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

=

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

B m

e

\

displaystyle

\ 메가 _ { \

text

{ ce } =

flac

{ eB } {

m

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text

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e

}

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

} 。

$e$ 서 e ${\displaystyle$ e $}$ 는 $e$ 기본 전하이고m {\ $displaystyle$ m $}$ 은 $m$ 전자의 질량입니다.일반적으로 사용되는 마이크로파 주파수 2.45GHz와 베어 전자 전하 및 질량에 대해 B = 875G = 0.0875T일 때 공진 조건을 만족한다.

전하 입자 q, 전자 정지 질량_0,e m이 상대론적 속도 v로 이동하는 경우, 특수 상대성 이론에 따라 공식을 다음과 같이 조정할 필요가 있습니다.

\mega _{\text{ce}}=paramfrac {eB}{\gamma m_{0,{\text{e}}}}}

어디에

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

=

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- (

v

c

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

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

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\

displayfrac

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1 \sqsq

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

。

플라즈마 물리학에서

전자 사이클로트론 공진주파수에 정적 자기장과 고주파 전자장을 겹쳐 이온화 플라즈마를 효율적으로 생성 또는 가열할 수 있다.자기융접에너지 연구에 이용되는 트로이덜 자기장은 자기장이 장반경에 따라 감소하기 때문에 약 1cm 이내의 전력증착위치를 제어할 수 있다.또, 발열 전력을 신속히 변조할 수 있어 전자에 직접 퇴적시킬 수 있다.이러한 특성으로 인해 전자 사이클로트론 가열은 에너지 수송 연구를 위한 매우 가치 있는 연구 도구가 됩니다.가열과 더불어 전자 사이클로트론파를 사용하여 전류를 구동할 수 있습니다.전자 사이클로트론 방출의 역프로세스를 사용하여 방사형 전자 온도 프로파일을 진단할 수 있습니다.

하전 입자와 선형 편광 전계 사이의 사이클로트론 공명의 예(녹색 표시).위치 대 시간(위 패널)은 빨간색 트레이스로 표시되고 속도 대 시간(아래 패널)은 파란색 트레이스로 표시됩니다.배경 자기장은 관찰자 쪽으로 향합니다.아래의 원형 편광 예는 하전 입자에 작용하는 파동 자기장으로 인해 로렌츠 힘이 없다고 가정합니다.이는 파장과 직교하는 하전입자의 속도가 0이라는 것과 같다.

하전 입자와 원형 편광 전계 사이의 사이클로트론 공명의 예(녹색으로 표시).위치 대 시간(위 패널)은 빨간색 트레이스로 표시되고 속도 대 시간(아래 패널)은 파란색 트레이스로 표시됩니다.배경 자기장은 관찰자 쪽으로 향합니다.아래의 원형 편광 예는 하전 입자에 작용하는 파동 자기장으로 인해 로렌츠 힘이 없다고 가정합니다.이는 파장과 직교하는 하전입자의 속도가 0이라는 것과 같다.

ECR 이온 소스

상을 받은 선구적인 연구인 RichardGeller,[2]박사는 클로드 Lyneis고, Dr.H.Postma에 의해 행해진, 프랑스 원자력 에너지 위원회, 로렌스 버클리 국립 연구소와 오크리지 국립 연구소, 전자 사이클로트론 공명의 효율적인 플라즈마 세대의 사용, 특히[3]각각 이후 1980년 초 이후로.ob에다량의 다중 하전 이온이 존재하며, 다양한 기술 분야에서 독특한 중요성을 획득했습니다.전자 사이클로트론 공명 기술을 통해 다음과 같은 많은 다양한 활동이 이루어집니다.

ECR 이온원이 양성자 치료에 중요한 고급 암 치료법,
플라즈마 식각 또는 기타 플라즈마 처리 기술을 통해 특히 고밀도 DRAM 메모리를 위한 고급 반도체 제조,
광범위한 장치(HiPEP, 일부 이온 스러스터 또는 무전극 플라즈마 스러스터), 우주선 추진용 전기 추진 장치
입자 가속기, 온라인 질량 분리 및 방사성 이온 전하 증식,^[4]
좀 더 평범한 예로, 자동차용 플라스틱 범퍼 그림을 들 수 있습니다.

ECR 이온 소스는 전자 사이클로트론 공명을 사용하여 혈장을 이온화합니다.전자파는 전자 사이클로트론 공명에 대응하는 주파수로 볼륨 내에 주입되며, 볼륨 내 영역에 인가되는 자기장에 의해 정의된다.볼륨에 저압 가스가 포함되어 있습니다.마이크로파의 교류 전계는 가스의 자유 전자의 회전 주기와 동기화되도록 설정되며, 수직 운동 에너지를 증가시킨다.그 후, 에너지가 공급된 자유 전자가 부피의 기체와 충돌할 때, 운동 에너지가 원자나 분자의 이온화 에너지보다 크면 이온화를 일으킬 수 있다.생성되는 이온은 사용되는 기체의 종류에 대응하며, 순수, 화합물 또는 고체 또는 액체 물질의 증기일 수 있습니다.

ECR 이온 소스는 고강도 단일 하전 이온을 생성할 수 있습니다(예⁺: 2.45GHz ECR 이온 소스를 사용하여 DC^[5] 모드에서 100mA(전기) 이상의 H 및 D⁺ 이온).

다중 하전 이온의 경우 ECR 이온원은 다중 충돌 및 다중 이온화가 발생할 수 있을 만큼 오랫동안 이온을 제한할 수 있다는 장점이 있으며, 소스 내의 낮은 가스 압력은 재결합을 회피합니다.Lawrence Berkeley 국립 연구소의 VENS ECR 이온원은 0.25mA(^[6]전기)의²⁹⁺ Bi를 생성했다.

일부 중요한 산업 분야는 전자 사이클로트론 공명 이온과 플라즈마 소스를 오늘날의 가능 기술 중 하나로 만드는 이 기초 기술을 사용하지 않고서는 존재할 수 없습니다.

응집 물질 물리학에서

고체 내에서 상기 사이클로트론 주파수 방정식의 질량은 $m^{*}$ 텐서 m $≤$ { $displaystyle$ m $m^{*}$ 로 대체된다.따라서 사이클로트론 공명은 고체에서 유효질량과 페르미 표면 단면을 측정하는 데 유용한 기술이다.비교적 순수한 재료의 저온에서 충분히 높은 자기장에서

\displaystyle { begin { aligned } \ obega _ { \ text { ce } > { \ frac { 1 } { \ tau } } \ hbar { \ text { ce } > k _ { B }T\\end {aligned}}

$\tau$ 서 ${\$ {\ $displaystyle \tau$ }는 $\tau$ 반송파 산란 수명, $k_{B}$ B $k_{B}$ {\ $displaystyle k_{B}}$ 는 $k_{B}$ 볼츠만의 상수 $,$ $T$ {\ $displaystyle$ T $}$ 는 $T$ 온도입니다.이러한 조건이 충족되면, 전자는 충돌하지 않고 사이클로트론 궤도를 완성하게 되며, 이 시점에서 란다우 레벨에 있는 것으로 알려져 있습니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ SI 단위로 소전하 e는 1.602×10쿨롬⁻¹⁹, 전자_e m의 질량은 9.109×10kg⁻³¹, 자기장 B는 테슬라, 각주파수 θ는 라디안/초이다.
^ 페록 주 겔러 제1인터내셔널연결: 이온 소스, Saclay, 537, 1969년 페이지
^ H. Postma (1970). "Multiply charged heavy ions produced by energetic plasmas". Physics Letters A. 31 (4): 196. Bibcode:1970PhLA...31..196P. doi:10.1016/0375-9601(70)90921-7.
^ 이온원 핸드북, B.울프, ISBN 0-8493-2502-1, p136-146
^ R. Gobin 등, Saclay High Intensity Light Ion Source Status The Euro.파티클 액셀러레이터 회의2002, 프랑스 파리, 2002년 6월, p1712
^ VENUS, 헤비이온 소스의 미래를 밝히는 CERN Courier, 2005년 5월 6일

추가 정보

"사이클로트론 공명의 개인적 추억", G. Dreselhouse, ICPS-27(2004년).본 논문은 밴드 구조 결정 기술로서 사이클로트론 공명의 전성기 초기 역사를 설명한다.

[1] SI 단위로 소전하 e는 1.602×10쿨롬⁻¹⁹, 전자_e m의 질량은 9.109×10kg⁻³¹, 자기장 B는 테슬라, 각주파수 θ는 라디안/초이다.

[2] 페록 주 겔러 제1인터내셔널연결: 이온 소스, Saclay, 537, 1969년 페이지

[3] H. Postma (1970). "Multiply charged heavy ions produced by energetic plasmas". Physics Letters A. 31 (4): 196. Bibcode:1970PhLA...31..196P. doi:10.1016/0375-9601(70)90921-7.

[4] 이온원 핸드북, B.울프, ISBN 0-8493-2502-1, p136-146

[5] R. Gobin 등, Saclay High Intensity Light Ion Source Status The Euro.파티클 액셀러레이터 회의2002, 프랑스 파리, 2002년 6월, p1712

[6] VENUS, 헤비이온 소스의 미래를 밝히는 CERN Courier, 2005년 5월 6일

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