Геликон (физика)
В электромагнетизме геликон — это низкочастотная электромагнитная волна , которая может существовать в ограниченной плазме при наличии магнитного поля . Первыми наблюдаемыми геликонами были атмосферные свисты . [1] [2] но они существуют и в твердых проводниках [3] [4] или любая другая электромагнитная плазма. В электрическом поле волн преобладает эффект Холла , и оно расположено 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 ( винтовую ) — отсюда и термин «геликон», придуманный Эгреном . [5]
Геликоны обладают особой способностью распространяться через чистые металлы в условиях низкой температуры и сильных магнитных полей. Большинство электромагнитных волн в обычном проводнике не способны на это, поскольку высокая проводимость металлов (благодаря их свободным электронам ) экранирует электромагнитное поле. Действительно, обычно электромагнитная волна испытывает очень тонкую скин-слой металла: электрические или магнитные поля быстро отражаются при попытке проникнуть в металл. (Отсюда и блеск металлов.) Однако глубина скин-слоя зависит обратно пропорционально корню квадратному из угловой частоты . Таким образом, низкочастотная электромагнитная волна может преодолеть проблему глубины скин-слоя и, таким образом, распространиться по всему материалу.
Одним из свойств геликонных волн (легко продемонстрированных элементарным расчетом с использованием только членов эффекта Холла и элемента удельного сопротивления ) является то, 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 потери на джоулевый нагрев в таких областях поверхности стремятся к ненулевому пределу. [6] [7] [8] Поверхностная мода особенно распространена в цилиндрических образцах, параллельных магнитному полю, конфигурации, для которой найдено точное решение уравнений: [6] [9] и что играет важную роль в последующих экспериментах.
Практическое значение поверхностной моды и ее сверхвысокой плотности тока не было признано в первоначальных статьях, но стало известно несколько лет спустя, когда Босуэлл [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 во множестве научных и промышленных применений – везде, где требовалась высокоэффективная генерация плазмы, [13] как в термоядерных реакторах [14] и в космической тяге (где геликонный двухслойный двигатель [15] и магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом [16] оба используют геликоны на этапе нагрева плазмы). Геликоны также используются в процедуре плазменного травления . [17] используется при производстве компьютерных микросхем. [18]
Геликонный разряд — это возбуждение плазмы геликонными волнами, индуцируемое радиочастотным нагревом . Отличием геликонного источника плазмы от индуктивно-связанной плазмы (ИСП) является наличие магнитного поля, направленного вдоль оси антенны. Наличие этого магнитного поля создает геликонный режим работы с более высокой эффективностью ионизации и большей плотностью электронов, чем у типичного ИСП. Австралийский национальный университет в Канберре, Австралия, в настоящее время исследует возможности применения этой технологии. Коммерчески разработанный магнитоплазмодинамический двигатель под названием VASIMR также использует геликонный разряд для генерации плазмы в своем двигателе. Потенциально с геликонными двухслойными двигателями для межпланетных путешествий пригодны ракеты на плазменной основе .
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Стори, LRO (9 июля 1953 г.) « Исследование свистящих атмосферных явлений ». Философские труды Королевского общества, А. 246 (908): 113. DOI: 10.1098/rsta.1953.0011.
- ^ Дэррин А. Шнайдер (1998). Геликонные волны в плазме высокой плотности (кандидатская диссертация). Австралийский национальный университет.
- ^ Бауэрс, Р., Легенди, К.Р. и Роуз, Ф.Е. (ноябрь 1961 г.) «Колебательный гальваномагнитный эффект в металлическом натрии». Письма о физическом обзоре 7 (9): 339–341. DOI: 10.1103/PhysRevLett.7.339.
- ^ Б.В. Максфилд (1969). «Геликоновые волны в твердых телах» . Американский журнал физики . 37 (3): 241–269. Бибкод : 1969AmJPh..37..241M . дои : 10.1119/1.1975500 .
- ^ Айгрейн, П. (1961) Материалы Международной конференции по физике полупроводников (Издательство Чехословацкой академии наук, Прага, 1961) с. 224.
- ^ Jump up to: а б Легенди, Ч.Р. (сентябрь 1964 г.) «Макроскопическая теория геликонов». Физический обзор 135 (6A): A1713–A1724. DOI:10.1103/PhysRev.135.A1713.
- ^ Гудман, Дж. М. и Легенди, CR (май 1964 г.) «Потери Джоуля в« идеальном »проводнике в магнитном поле». Отчет Центра материаловедения Корнеллского университета № 201.
- ^ Гудман, Дж. М. (15 июля 1968 г.) «Геликонные волны, потери поверхностной моды и точное определение коэффициентов Холла алюминия, индия, натрия и калия». Физический обзор 171 (1): 641–658. DOI: 10.1103/PhysRev.171.641.
- ^ Клозенберг, Дж. П., Макнамара, Б., и Тонеманн, ПК (март 1965 г.) «Дисперсия и затухание геликонных волн в однородной цилиндрической плазме». Журнал механики жидкости 21 (3): 545–563. DOI: 10.1017/S0022112065000320.
- ^ Босвелл, Р.В. (июль 1970 г.) «Исследование волн в газообразной плазме». доктор философии Диссертация, Школа физических наук, Университет Флиндерса, Южная Австралия. ( http://people.physical.anu.edu.au/~rwb112/hr/index.htm#Boswell_Thesis_directory )
- ^ Босвелл, Р.В. (октябрь 1984 г.) «Очень эффективная генерация плазмы свистовыми волнами вблизи нижней гибридной частоты». Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез 26 (10): 1147–1162. DOI: 10.1088/0741-3335/26/10/001.
- ^ Босвелл, Р.В. и Чен Ф.Ф. (декабрь 1997 г.) «Геликоны - первые годы». Транзакции IEEE по науке о плазме 25 (6): 1229–1244. DOI: 10.1109/27.650898.
- ^ Чен, FF (декабрь 1996 г.) «Геликонные источники плазмы» в: Источники плазмы высокой плотности: дизайн, физика и производительность , Олег А. Попов (редактор) (Эльзевир-Нойес) печать ISBN 978-0-8155-1377-3 , электронная книга ISBN 978-0-8155-1789-4 .
- ^ Марини, К., Аньелло, Р., Дюваль, Б.П., Фурно, И., Хаулинг, А.А., Жакье, Р., Карпушов, А.Н., Плющев, П., Верха, К., Гиттьен, Ф., Фанц, У., Вюндерлих Д., Бечу С. и Симонин А. (январь 2017 г.) «Спектроскопическая характеристика геликонной плазмы H 2 и D 2 , генерируемой резонансной антенной для применения нейтральных лучей в термоядерном синтезе». Ядерный синтез 57: 036024 (9 стр.) DOI: 10.1088/1741-4326/aa53eb
- ^ Чарльз К., Босуэлл Р.В. и Либерман М.А. (декабрь 2006 г.) «Характеристика ионного пучка ксенона в двухслойном геликонном двигателе». Applied Physics Letters 89:261503 (3 стр.) DOI: 10.1063/1.2426881.
- ^ Лонгмье, Б.В., Сквайр, Дж.П., Кэссиди, Л.Д., Балленджер, М.Г. Картер, М.Д., Олсен, К., Илин, А.В., Гловер, Т.В., Маккаскилл, Дж.Э., Чанг Диас, Ф.Р., Беринг III, Э.А. и Дель Валле , J. (сентябрь 2011 г.) «Измерения производительности VASIMR® VX-200 и таблицы дросселирования Helicon с использованием аргона и криптона». 32-я Международная конференция по электродвижению, состоявшаяся в Висбадене, Германия, 11–15 сентября 2011 г. (Висбаден: IEPC-2011-156).
- ^ Босвелл, Р.В. и Генри Д. (15 ноября 1985 г.) «Импульсное высокоскоростное плазменное травление с переменной селективностью Si/SiO 2 и переменными профилями травления Si». Applied Physics Letters 47 (10): 1095–1097 DOI: 10.1063/1.96340.
- ^ 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