رنين السيكلوترون الإلكتروني

رنين السيكلوترون الإلكتروني ( ECR ) ظاهرة تُلاحظ في فيزياء البلازما ، وفيزياء المادة المكثفة ، وفيزياء المسرعات . يحدث هذا الرنين عندما يتطابق تردد الإشعاع الساقط مع التردد الطبيعي لدوران الإلكترونات في المجالات المغناطيسية. يتحرك الإلكترون الحر في مجال مغناطيسي ثابت ومنتظم في مسار دائري بفعل قوة لورنتز . قد تتراكب هذه الحركة الدائرية مع حركة محورية منتظمة، مما ينتج عنه مسار حلزوني ، أو مع حركة منتظمة عمودية على المجال (مثلًا، في وجود مجال كهربائي أو مجال جاذبية)، مما ينتج عنه مسار دائري . يُعطى التردد الزاوي ( ω  = 2πf ) لحركة السيكلوترون هذه ، عند شدة مجال مغناطيسي معينة B، (بوحدات النظام الدولي للوحدات) ^{[ 1 ]} بالعلاقة التالية :

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

أين${\displaystyle e}$هي الشحنة الأولية و${\displaystyle m_{\text{e}}}$هي كتلة الإلكترون. بالنسبة لتردد الميكروويف الشائع الاستخدام 2.45  جيجاهرتز وشحنة وكتلة الإلكترون الأساسية، يتحقق شرط الرنين عندما B =0.0875 طن ​

بالنسبة للإلكترونات التي تتحرك بسرعات نسبية v ، يجب تعديل الصيغة وفقًا للنظرية النسبية الخاصة لتصبح:

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

أين

• m _e هي كتلة سكون الإلكترون
• ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}}}}}$.

يمكن إنتاج البلازما المتأينة أو تسخينها بكفاءة عالية عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي ثابت ومجال كهرومغناطيسي عالي التردد عند تردد رنين السيكلوترون الإلكتروني . في المجالات المغناطيسية الحلقية المستخدمة في أبحاث طاقة الاندماج المغناطيسي ، يتناقص المجال المغناطيسي مع زيادة نصف القطر الرئيسي، مما يسمح بالتحكم في موضع ترسب الطاقة بدقة تصل إلى سنتيمتر واحد تقريبًا. علاوة على ذلك، يمكن تعديل طاقة التسخين بسرعة وتُرسب مباشرة في الإلكترونات. هذه الخصائص تجعل تسخين السيكلوترون الإلكتروني أداة بحثية قيّمة للغاية لدراسات نقل الطاقة. إضافة إلى التسخين، يمكن استخدام موجات السيكلوترون الإلكتروني لتوليد التيار. ويمكن استخدام العملية العكسية لانبعاث السيكلوترون الإلكتروني كأداة تشخيصية لملف درجة حرارة الإلكترونات الشعاعي.

تم تطبيق استخدام رنين السيكلوترون الإلكتروني لتوليد البلازما بكفاءة، وخاصة للحصول على أعداد كبيرة من الأيونات متعددة الشحنات، ^{[ 2 ] [ 3 ] في مجالات متنوعة:}

• العلاج المتقدم للسرطان، حيث تعتبر مصادر أيونات الرنين الإلكتروني السيكلوتروني (ECR) ضرورية للعلاج بالبروتونات ،
• تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة ، وخاصة لذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية عالية الكثافة ، من خلال الحفر بالبلازما أو تقنيات معالجة البلازما الأخرى،
• أجهزة الدفع الكهربائي لدفع المركبات الفضائية ، حيث توجد مجموعة واسعة من الأجهزة ( HiPEP ، وبعض محركات الدفع الأيونية ، أو محركات الدفع البلازمية عديمة الأقطاب الكهربائية ).
• بالنسبة لمسرعات الجسيمات ، وفصل الكتلة عبر الإنترنت وتوليد شحنة الأيونات المشعة، ^{[ 4 ]}
• وكمثال أكثر دنيوية، طلاء مصدات السيارات البلاستيكية.

يستخدم مصدر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR) ظاهرة الرنين السيكلوتروني الإلكتروني لتأيين البلازما. تُحقن موجات ميكروية في حيز بتردد يتوافق مع تردد الرنين السيكلوتروني الإلكتروني، والذي يُحدد بواسطة المجال المغناطيسي المُطبق على منطقة داخل هذا الحيز. يحتوي هذا الحيز على غاز منخفض الضغط. يُضبط المجال الكهربائي المتناوب للموجات الميكروية ليتزامن مع فترة دوران الإلكترونات الحرة في الغاز، مما يزيد من طاقتها الحركية العمودية. بعد ذلك، عندما تصطدم الإلكترونات الحرة النشطة بالغاز في الحيز، يمكنها إحداث التأيين إذا كانت طاقتها الحركية أكبر من طاقة تأين الذرات أو الجزيئات. تتوافق الأيونات الناتجة مع نوع الغاز المستخدم، والذي قد يكون نقيًا، أو مركبًا، أو بخارًا لمادة صلبة أو سائلة.

تستطيع مصادر أيونات ECR إنتاج أيونات أحادية الشحنة ذات شدة عالية (مثل أيونات H ⁺ و D ⁺ التي تزيد عن 100 مللي أمبير (كهربائي) في وضع التيار المستمر ^{[ 5 ]} باستخدام مصدر أيونات ECR بتردد 2.45 جيجاهرتز).  

بالنسبة للأيونات متعددة الشحنات، يتميز مصدر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR) بقدرته على حصر الأيونات لفترة كافية لحدوث تصادمات وتأينات متعددة، كما أن انخفاض ضغط الغاز في المصدر يمنع إعادة التركيب. وقد أنتج مصدر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني VENUS في مختبر لورانس بيركلي الوطني ^{أيونات Bi²⁹⁺} بكثافة 0.25  مللي أمبير (كهربائية) . ^{[ 6 ]}

بعض المجالات الصناعية الهامة لن تكون موجودة بدون استخدام هذه التقنية الأساسية، مما يجعل مصادر أيونات وبلازما الرنين السيكلوتروني الإلكتروني واحدة من التقنيات التمكينية لعالم اليوم.

في المادة الصلبة، يتم استبدال الكتلة في معادلة تردد السيكلوترون أعلاه بموتر الكتلة الفعال.${\displaystyle m^{*}}$لذا، يُعد رنين السيكلوترون تقنية مفيدة لقياس الكتلة الفعالة ومقطع سطح فيرمي في المواد الصلبة. وذلك في مجال مغناطيسي عالٍ بدرجة كافية عند درجة حرارة منخفضة في مادة نقية نسبيًا.

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

أين${\displaystyle \tau }$هو عمر تشتت حاملات الشحنة،${\displaystyle k_{\text{B}}}$هو ثابت بولتزمان و${\displaystyle T}$درجة الحرارة. عندما تتحقق هذه الشروط، سيكمل الإلكترون مداره السيكلوتروني دون الدخول في تصادم، وعند هذه النقطة يقال إنه في مستوى لاندو محدد جيدًا.

• السيكلوترون
• ARC-ECRIS
• رنين السيكلوترون الأيوني
• السنكروترون
• جيروترون
• تأثير دي هاس-فان ألفين

• "ذكريات شخصية عن رنين السيكلوترون" ، بقلم ج. دريسلهاوس، وقائع المؤتمر الدولي السابع والعشرين لفيزياء الجسيمات (2004). تتناول هذه الورقة البحثية التاريخ المبكر لرنين السيكلوترون في أوج ازدهاره كتقنية لتحديد بنية النطاق .