WikiDer > Геликон (физика)

Helicon (physics)

А геликон это низкая частота электромагнитная волна которые могут существовать в ограниченном плазма в присутствии магнитного поля. Первые наблюдаемые геликоны были атмосферными. свистящие,[1][2] но они также существуют в твердых проводниках[3][4] или любой другой электромагнитной плазмы. В электрическом поле волн преобладает эффект Холла, и находится почти под прямым углом к ​​электрическому току (а не параллельно, как это было бы без магнитного поля); так что распространяющаяся составляющая волн имеет форму штопора (спиральную) - отсюда и термин «геликон», придуманный Эйгрейном. [5]

Геликоны обладают особой способностью распространяться через чистые металлы в условиях низкой температуры и сильных магнитных полей. Большинство электромагнитных волн в нормальном проводнике не могут этого сделать, поскольку высокая проводимость металлов (из-за их свободных электронов) действует как экранирование электромагнитного поля. Действительно, обычно электромагнитная волна испытывает очень тонкий глубина кожи в металле: электрические или магнитные поля быстро отражаются при попытке проникнуть в металл. (Отсюда блеск металлов.) Однако глубина скин-слоя зависит от обратной пропорциональности квадратному корню из угловая частота. Таким образом, низкочастотная электромагнитная волна может преодолеть проблему глубины скин-слоя и, таким образом, распространиться по всему материалу.

Одно свойство геликонных волн (легко продемонстрированное элементарными расчетами с использованием только членов эффекта Холла и члена удельного сопротивления) состоит в том, что в местах, где поверхность образца проходит параллельно магнитному полю, одна из мод содержит электрические токи, которые «идут». до бесконечности »в пределе идеальной проводимости; так что Джоулевое нагревание потери на таких участках поверхности стремятся к ненулевому пределу.[6][7][8] Поверхностная мода особенно распространена в цилиндрических образцах, параллельных магнитному полю, конфигурация, для которой найдено точное решение уравнений, [6][9] и что важно в последующих экспериментах.

Практическое значение поверхностной моды и ее сверхвысокой плотности тока не было признано в оригинальных статьях, но стало очевидным несколько лет спустя, когда Босвелл[10][11] обнаружил превосходную способность геликонов генерировать плазму - достигая плотности заряда плазмы в 10 раз выше, чем это было достигнуто с помощью более ранних методов, без магнитного поля.[12]

С тех пор геликоны нашли применение в различных научных и промышленных приложениях - везде, где требовалась высокоэффективная генерация плазмы,[13] как в термоядерная реакция реакторы[14] И в космический двигатель (где Двухслойное подруливающее устройство Helicon[15] и Магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом[16] оба используют геликоны в фазе нагрева плазмы). Геликоны также используются в процедуре плазменное травление,[17] используется при изготовлении компьютерных микросхем.[18]

Геликонный разряд - это возбуждение плазмы геликонными волнами, индуцированными через радиочастотный обогрев. Отличие геликонного источника плазмы от источника индуктивно связанная плазма (ICP) - наличие магнитного поля, направленного вдоль оси антенны. Наличие этого магнитного поля создает геликонный режим работы с более высокой эффективностью ионизации и большей электронной плотностью, чем у типичного ICP. Австралийский национальный университет в Канберре, Австралия, в настоящее время изучает возможности применения этой технологии. Промышленно разработанный магнитоплазмодинамический двигатель под названием ВАСИМР также использует геликонный разряд для генерации плазмы в своем двигателе. Потенциально, Двухслойный двигатель Helicon Ракеты на плазменной основе подходят для межпланетных путешествий.

Эксперимент

Простой эксперимент можно провести с помощью довольно доступного оборудования, и его можно найти на университетских курсах продвинутой физики в лабораторных условиях.[19][20]Металл чистотой 99,999% индий обычно используется: охлаждается с помощью жидкий гелий для достижения условий низкой температуры, в то время как сильное магнитное поле достигается с помощью сверхпроводящего соленоида. В конечном итоге эксперимент характеризует резонансную частоту и резонансную ширину геликонных стоячих волн. Его также можно использовать для измерения магнитосопротивление и Коэффициенты Холла из чистого металла.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Стори, Л. Р. (9 июля 1953 г.) "Исследование свистящих атмосферных явлений". Философские труды Королевского общества А. 246 (908): 113. DOI: 10.1098 / rsta.1953.0011.
  2. ^ Даррин А. Шнайдер (1998). Геликоновые волны в плазме высокой плотности (Кандидатская диссертация). Австралийский национальный университет.
  3. ^ Бауэрс Р., Легенди К. Р. и Роуз Ф. Э. (ноябрь 1961 г.) "Колебательный гальваномагнитный эффект в металлическом натрии". Письма физического обзора 7 (9): 339-341. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.7.339.
  4. ^ B.W. Максфилд (1969). «Геликоновые волны в твердых телах». Американский журнал физики. 37 (3): 241–269. Bibcode:1969AmJPh..37..241M. Дои:10.1119/1.1975500.
  5. ^ Айграйн, П. (1961) Труды Международной конференции по физике полупроводников (Издательство Чехословацкой Академии наук, Прага, 1961) с. 224.
  6. ^ а б Легенди, К. Р. (сентябрь 1964) "Макроскопическая теория геликонов". Физический обзор 135 (6A): A1713-A1724. DOI: 10.1103 / PhysRev.135.A1713.
  7. ^ Гудман, Дж. М. и Легенди, К. Р. (май 1964 г.) "Джоулевые потери в« идеальном »проводнике в магнитном поле». Отчет Центра материаловедения Корнельского университета № 201.
  8. ^ Гудман, Дж. М. (15 июля 1968 г.) "Геликоновые волны, потеря поверхностных мод и точное определение коэффициентов Холла алюминия, индия, натрия и калия". Physical Review 171 (1): 641-658. DOI: 10.1103 / PhysRev.171.641.
  9. ^ Клозенберг, Дж. П., Макнамара, Б. и Тонеман, П. С. (март 1965 г.) "Дисперсия и затухание геликонных волн в однородной цилиндрической плазме". Журнал гидромеханики 21 (3): 545-563. DOI: 10.1017 / S0022112065000320.
  10. ^ Босуэлл, Р. У. (июль 1970 г.) "Исследование волн в газовой плазме". Кандидат наук. Диссертация, Школа физических наук, Университет Флиндерса Южной Австралии. (http://people.physics.anu.edu.au/~rwb112/hr/index.htm#Boswell_Thesis_directory)
  11. ^ Босвелл, Р. У. (октябрь 1984 г.) "Очень эффективное генерация плазмы свистовыми волнами вблизи нижней гибридной частоты". Физика плазмы и управляемый синтез 26 (10): 1147–1162. DOI: 10.1088 / 0741-3335 / 26/10/001.
  12. ^ Босуэлл Р. В. и Чен Ф. Ф. (декабрь 1997 г.) «Геликоны - первые годы». IEEE Transactions on Plasma Science 25 (6): 1229–1244. DOI: 10.1109 / 27.650898.
  13. ^ Чен, Ф. Ф. (декабрь 1996 г.) "Источники плазмы Helicon" в: Источники плазмы высокой плотности: дизайн, физика и характеристики, Олег А. Попов (редактор) (Elsevier-Noyes) печать ISBN 978-0-8155-1377-3, электронная книга ISBN 978-0-8155-1789-4.
  14. ^ Марини, К., Аньелло, Р., Дюваль, Б.П., Фурно, И., Роулинг, А.А., Жакье, Р., Карпушов, А.Н., Плющ, П., Верха, К., Гиттьен, доктор философии, Фанц, У. ., Wünderlich, D., Béchu, S., и Simonin, A. (январь 2017) "Спектроскопическая характеристика H2 и D2 геликонная плазма, генерируемая резонансной антенной для приложений с нейтральным лучом в термоядерном синтезе ». Nuclear Fusion 57: 036024 (9pp) DOI: 10.1088 / 1741-4326 / aa53eb
  15. ^ Чарльз К., Босвелл Р. В. и Либерман М. А. (декабрь 2006 г.) "Характеристики пучка ксеноновых ионов в геликонном двухслойном двигателе малой тяги". Письма по прикладной физике 89: 261503 (3 стр.) DOI: 10.1063 / 1.2426881.
  16. ^ Лонгмьер, Б.В., Сквайр, JP, Кэссиди, Л.Д., Балленджер, М.Г. Картер, доктор медицины, Олсен, К., Илин, А.В., Гловер, Т.В., Маккаскилл, Г.Э., Чанг Диас, Франция, Беринг III, Е.А., и Дель Валле, J. (сентябрь 2011 г.) «Измерения производительности VASIMR® VX-200 и таблицы дроссельной заслонки Helicon с использованием аргона и криптона». 32-я Международная конференция по электродвигателям, состоявшаяся в Висбадене, Германия, 11-15 сентября 2011 г. (Висбаден: IEPC-2011-156).
  17. ^ Босуэлл, Р. У. и Генри Д. (15 ноября 1985 г.) "Импульсное высокоскоростное плазменное травление с переменным Si / SiO.2 селективность и переменные профили травления кремния ». Applied Physics Letters 47 (10): 1095–1097 DOI: 10.1063 / 1.96340.
  18. ^ Поулсен, Р. Г. (1977) "Плазменное травление в производстве интегральных схем - обзор" Journal of Vacuum Science and Technology 14 (1): 266 DOI: 10.1116 / 1.569137
  19. ^ Дж. Р. Меррилл; Д. Пирс; Д. Джованиелли (1970). "Эксперимент с твердотельной плазмой Helicon для передовой лаборатории". Американский журнал физики. 38 (1): 417–420. Bibcode:1970AmJPh..38..417M. Дои:10.1119/1.1976357.
  20. ^ Дж. Харлоу и Дж. Питр (2011). Геликоны в металлах (PDF) (Отчет). Университет Торонто.