Большая Советская Энциклопедия (ЦИ)

Большая Советская Энциклопедия

Циклотрон

Циклотро'н (от цикло... и ...трон ), резонансный ускоритель тяжёлых заряженных частиц (протонов, ионов), в котором частота ускоряющего электрического поля и ведущее магнитное поле постоянны во времени. Частицы движутся в Ц. по плоской развёртывающейся спирали. Максимальная возможная энергия ускоренных в Ц. протонов — около 20 Мэв, а в специальном (изохронном) Ц. — до 1 Гэв. См. Ускорители заряженных частиц .

Циклотронная частота

Циклотро'нная частота', частота W обращения электрона в постоянном магнитном поле Н в плоскости, перпендикулярной Н. Для свободного электрона Ц. ч. (гиромагнитная частота), определяемая из равенства Лоренца

силы и центробежной силы: W = eH/m _c, где е и m — заряд и масса свободного электрона; с — скорость света в вакууме. Ц. ч. определяет разность энергии DE между диамагнитными уровнями электрона в магнитном поле (см. Диамагнетизм ): DE = h n (h — Планка постоянная ). Для релятивистского электрона W = ecH/E, где E — электрона.

В твёрдом теле движение электрона осложнено взаимодействием с кристаллической решёткой. При движении носителей тока, например электрона проводимости , в постоянном магнитном поле его энергия E и проекция квазиимпульса р на направление Н (p_H ) сохраняются, так что в импульсном пространстве (р– пространстве) движение происходит по кривой пересечения изоэнергетической поверхности E (р ) плоскостью p_H = const. Если эта кривая замкнута, то движение является периодическим и происходит с Ц. ч.: W = еН/m*с.

Здесь m* — эффективная масса электрона проводимости.

Циклотронное излучение

Циклотро'нное излуче'ние, магнитотормозное излучение, электромагнитное излучение заряженной частицы, движущейся по окружности или спирали в магнитном поле; то же, что синхротронное излучение . Термин «Ц. и.» обычно относят к магнитотормозному излучению нерелятивистских частиц, происходящему на основной гиромагнитной частоте w = eH/mc и её первых гармониках (здесь е и m — заряд и масса частицы, с — скорость света, Н — напряжённость магнитного поля).

Циклотронный резонанс

Циклотро'нный резона'нс, избирательное поглощение электромагнитной энергии носителями заряда в проводниках, помещенных в магнитное поле при частотах, равных или кратных их циклотронной частоте . При Ц. р. наблюдается резкое возрастание электропроводности проводников. В постоянных электрическом Е и магнитном Н полях носители тока — заряженные частицы — движутся под действием Лоренца силы по спиралям, оси которых направлены вдоль магнитного поля (рис. 1 , а). В плоскости, перпендикулярной магнитному полю, движение является периодическим с циклотронной частотой W; если при этом на частицу действует однородное периодическое электрическое поле Е частоты w, то энергия, поглощаемая ею, также оказывается периодической функцией времени t с угловой частотой, равной разности частот: W — w. Поэтому средняя энергия, поглощаемая за большое время, резко возрастает в случае w = W. Увеличение энергии частицы приводит к росту диаметра орбиты и к появлению добавочной средней скорости частиц Dv, т. е. к росту электропроводности, пропорциональной Nev/E (N — концентрация носителей тока).

Периодическому движению носителей в магнитном поле соответствует появление дискретных разрешенных состояний (уровней Ландау) с условием квантования: Ф = (n + ¹ /₂ ) Ф _{, где Ф — поток магнитного поля, охватываемый движущимся зарядом, Ф= ch/2e — квант магнитного потока (h — Планка постоянная), n — целое число. Частота квантовых переходов между соседними эквидистантными уровнями и есть циклотронная}

частота. Т. о., Ц. р. можно трактовать как возбуждение внешним переменным полем переходов носителей тока между уровнями Ландау.

Ц. р. может наблюдаться, если носители тока совершают много оборотов, прежде чем испытают столкновение с др. частицами и рассеются. Это условие имеет вид: Wt > 1, где t — среднее время между столкновениями (время релаксации ), определяемое физическими свойствами проводника. Например, в газовой плазме — это время между столкновениями свободных электронов с др. электронами, с ионами или нейтральными частицами. В твёрдом проводнике определяющую роль играют столкновения электронов проводника с дефектами кристаллической решётки (t » 10^{– 9} —10^{– 11}сек ) и рассеяние на её тепловых колебаниях (электрон-фононное взаимодействие). Последний процесс ограничивает область наблюдения Ц. р. низкими температурами (~ 1—10 К). Практически достижимые максимальные времена релаксации ограничивают снизу область частот (n = w/2p > 10⁹ гц ), в которой возможно наблюдение Ц. р. в твёрдых проводниках.

Ц. р. можно наблюдать в различных проводниках: в газовой плазме (на электронах и ионах), в металлах (на электронах проводимости), в полупроводниках и диэлектриках (на неравновесных носителях, возбуждаемых светом, нагревом и т.д.), а также в двухмерных системах (см. ниже). Однако термин «Ц. р.» утвердился главным образом в физике твёрдого тела , когда излучение среды, обусловленное квантовыми переходами между уровнями Ландау, отсутствует.

Ц. р. в полупроводниках предсказан Я. Г. Дорфманом (1951, СССР) и Р. Динглом (1951, Великобритания), обнаружен Д. Дресселхаусом, А. Ф. Киппом, Ч. Киттелом (1953, США). Наблюдается на частотах ~ 10¹⁰ —10¹¹гц в полях 1—10 кэ. Т. к. концентрация свободных носителей тока, возбуждаемых светом, нагревом и др., обычно не превосходит 10¹⁴ —10¹⁵см^{– 3} , то Ц. р. наблюдается на частотах w >>w_п =

, где w_п — плазменная частота. Для волн таких частот среда практически прозрачна, и её коэффициент преломления близок к 1. Т. к. при указанных частотах длина волны l ~ 1 см, а диаметры орбит электронов порядка микрометров, то носители тока движутся в практически однородном электромагнитном поле. Ц. р., наблюдаемый в однородном электромагнитном поле, называют также диамагнитным резонансом, имея в виду, что циклотронное движение носителей тока приводит к диамагнетизму электронного газа (см. Ландау диамагнетизм ).

Если для наблюдения Ц. р. использовать волну, циркулярно поляризованную в плоскости, перпендикулярной Н, то поглощать электромагнитную энергию будут заряженные частицы, вращающиеся в том же направлении, что и вектор поляризации. На этом явлении основано определение знака заряда носителей тока в полупроводниках.

Ц. р. в металлах. Металлы, у которых концентрация носителей тока N » 10²² см^{– 3} , обладают высокой электропроводностью. В них Ц. р. наблюдался на частотах W << w_п . При этом электромагнитные волны почти полностью отражаются от поверхности образца, проникая в металл на небольшую глубину скин-слоя d » 10^{– 5}см (см. Скин-эффект ). В результате этого электроны проводимости движутся в сильно неоднородном электромагнитном поле (как правило, диаметр их орбиты D >> d). Если постоянное магнитное поле Н параллельно поверхности образца, то среди электронов есть такие, которые, хотя и движутся большую часть времени в глубине металла, где электрического поля нет, однако на короткое время возвращаются в скин-слой, где взаимодействуют с электромагнитной волной (рис. 1 , б). Механизм передачи энергии от волны к носителям тока в этом случае аналогичен работе циклотрона ; резонанс возникает, если электрон будет попадать в скин-слой каждый раз при одной и той же фазе электрического поля, что возможно при nW = w. Это условие отвечает резонансам, периодически повторяющимся при изменении величины 1/Н (рис. 2 ).