Задача 2. Масс-спектрограф омегатрон. Масс-анализ остаточного газа. (Задачи атомного практикума), страница 5

Величина магнитного поля указана впаспорте установки.3637Включение цепи накала омегатронной лампыосуществляется тумблером К м , который как и все остальные тумблеры ( К1 ,К 2 , К 3 ) расположен на специ-альной панели на измерительном щитке. Цепь накала омегатрона питается стабилизированным выпрямителем типаТЭС. Величина тока накала указывается в паспорте установки.

Необходимые для нормальной работы прибора напряжения на катод, на диафрагму, на анод и смещение накорпус подаются со стабилизированных блоков питанияБ3-3 (или Б5-50, Б5-49) и УНИП. (См. электрическую схемуна конкретной установке). Контроль за режимом прибораосуществляется по показаниям микроамперметров расположенных на щитке установки Оптимальные значения токов указаны в паспорте установки.На пластины 2 и 8 подается высокочастотноерегулируемое напряжение с генератора ГЗ-111, котороеможет меняться от 1 В до 15 В. Ручка регулировки этогонапряжения расположена на передней панели ГЗ-111.

Дляопределения частоты подаваемого напряжения используется цифровой частотомер.Изменение энергии электронного пучка осуществляется изменением выходного напряжения источника11 блока питания Б3-3, подаваемого на диафрагму. Величина этого напряжения контролируется цифровым вольтметром В7-38.Порядок выполнения работы.После включения всех цепей установки (за исключением высокочастотной) следует убедиться, что токнакала лампы I H ≈ 1,2 A. Затем при помощи потенциометра (10 кОм) «смещение на корпус» устанавливаютсмещение на корпус камеры 1 В и проверяют показаниямикроамперметров № 1-3.

Для отъюстированного приборазначения токов в анодной цепиI ≈ 5 − 15 µkA( µA№3 ),вцепидиафрагмы38I≈µkA (µA( №1)),I ≤ 0,01 µkA (µA)вцепикорпуса№ 2 . Если прибор не отъюстирован,то при помощи винтов держателя омегатронной лампыплавно меняют ее расположение в магнитном поле до техпор пока не добьются оптимальных показаний микроамперметров № 1-3 (при этом ось OO1 будет параллельна Н(рис2)). Убедившись, что прибор отъюстирован, включаютвысокочастотную цепь (генератор ГЗ-111), причем оптимальную величину E0 устанавливают с помощью ручкиплавной регулировки выходного напряжения генератора.Затем, меняя частоту генератора в пределах 20 кГц - 12мГц, определяют зависимость величины ионного тока Iaот частоты ν (величину ионного тока измеряют электрометрическим усилителем У5-6) и строят график I i = f (ν )(рис. 10).В основу работы электрометрического усилителя положен принцип измерения слабых токов по величинепадения напряжения на известном сопротивлении («входное сопротивление» на передней панели прибора).

Исходный ток определяется как Ia = U вых / R вх .В окрестности пиковI i отсчеты должны быть вы-полнены значительно чаще с тем, чтобы профиль линиииона был надежно определен. Амплитуды пиков ионноготока могут различаться на два и более порядков, поэтомупри исследовании зависимости I i = f (ν ) необходимоследить за соответствием шкалы вольтметра электрометрического усилителя У5-6 величине измеряемого сигнала(своевременно переключать шкалы вольтметра У5-6).40-8039длина камеры столкновений (вдоль электронного пучка).Таким образом, сечение ионизацииσ k =iIkiэI N La k(6)I k от напряжения на подкаiэтодной диафрагме U , зная I , N и L. определимgakИзмеряя зависимостьзависимость сечения ионизации от энергии электронов.N определяется по известным значениям парциальныхkРис.

10. График зависимости ионного тока от частоты.давленийИзмерение сечения ионизации.Выше уже отмечалось, что в данной работеомегатрон используется для изучения сечения ионизацииатомов и молекул электронами Изменяя напряжение наподкатодной диафрагме получаем возможность регулировать энергию электронного пучка Электроны, пройдя ускоряющее поле, попадают в камеру столкновений и, двигаясь по ее оси, производят ионизацию атомов и молекулгаза, при этом число возникающих в единицу времени ионов данного сорта можно определить из достаточно очевидного соотношенияI k = I эN σ k Lia k i,(5)I k -ионный ток (ионы k-ого сорта); I - электронныйiaток (ток в анодной цепи 1); N - концентрация атомов kkkого сорта; σ - сечение ионизации атомов k -ого сорта; L iгде40P для различных сортов ионов , приведенных вiтаблице паспорта установки.Необходимо иметь в виду, что омегатрон разделяет ионы по отношению Ze M , поэтому два разных поприроде иона, но с одинаковым удельным зарядом будутнеотличимы.

Одинаковый удельный заряд Ze M могутиметь, с одной стороны, ионы одинаковые или близкие помассе и с одинаковыми Z (это наиболее характерно длямолекул), с другой стороны, ионы разной массы, но с такойкратностью Z, которая приводит к одинаковому удельномузаряду. Последние, как правило, не вносят большой неопределенности, поскольку сечения 2-х, 3-х и т.д. кратнойионизации значительно меньше сечения однократной ионизации и ток таких ионов на коллектор незначителен.

Вслучае, когда различные однозарядные ионы обладаютодинаковой или близкой (в пределах разрешающей способности прибора) массой, их вклады в ионный ток становится сравнимыми. В этом случае кривая зависимостиσ i (E ) является суммарной кривой этих ионов. Посколькупотенциалы ионизации атомов различных элементов отличаются, то на кривой σ i (E ) могут проявиться признакиналожения соответствующего числа кривых, сдвинутых41друг относительно друга по порогу ионизации.

Для того,чтобы снять зависимость ионного токаI ik от энергии элек-тронного пучка, необходимо настроить установку на максимум пика исследуемого иона, установив оптимальноевыходное напряжение генератора.Для измерения ускоряющего напряжения U g между диафрагмой и катодом используется цифровой вольтметр В7-38. Ручки 1, 2, 3 блока питания Б3-3 (источник 11)изменяют ускоряющее напряжение от 0 до 150 В, при этомручка 3 позволяет плавно изменять напряжение в преде-I k U  важноi  gнаиболее точно определить порог, т. е. те значения U ,gkпри которых только появляется ток I , а также значенияikтока I i в области близкой к порогу. Поэтому при измерелах 1-3 В.

При снятии характеристикиниях в пороговой области целесообразно работать на наиболее чувствительной по напряжению шкале электрометрического усилителя (Рис. 10).Сначала снимается зависимостьI k U  вi  gбольшом диапазоне на грубой шкале электрометрическогоусилителя У5-7 (У5-6 ), так, чтобы вся зависимость уложилась в пределах одного диапазона измерений. Далее дляболее точного определения порогового напряжения Uпснимается зависимостьI k U  вблизи этого напряжеi  gния на более чувствительной шкале вольтметра электрометрического усилителя. Чтобы получить значение тока,необходимо пересчитать показания вольтметра, используясоответствующие значения входных сопротивлений прибора, указанных на передней панели.

Микроамперметр №3 на приборной панели дает значение электронного тока42I a в µ kA . Измерение частоты генератора проводитсячастотомером, регистрирующим частоту в кГц.Задание.1.Отъюстировать прибор.2.Снять зависимостьI ik = f (ν ) (см.рис.10).3.Определить массы и отождествить ионы остаточного газав омегатронной лампе.4.Для двух-трех наиболее интенсивных пиков,для которых массы отождествлены, снять зависимостьионного токаI ik от напряжения U g .5.Для исследуемых веществ, используя формулу (6), рассчитать значенияσ ikкак функции энергииэлектронов (в эВ) и построить график.

Парциальные давления исследуемых газов приведены в паспорте задачи.Для всех ламп L=2см.6.Установить из графиковσ ikпотенциалы ио-низации.7.Построить в пороговых единицах графики экспериментальных значений сечений и сравнить их с томсоновским сечением.ЛИТЕРАТУРА1.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика-М.: 1952, § 19 .Формула Резерфорда2. Квливидзе В.А., Красильников С.С. Введение в физикуатомныхстолкновений.-М.: Изд-во Моск.

ун-та, 1985.Гл. 1, Гл.3.3. Фано У., Фано Л., Физика атомов и молекул.-М.: Наука,1980.Гл.3.4. Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованныхгазах. Мир 1967, гл 5.43Учебное изданиеГ.И.Горяга ,В.В.Дегтерева,Т.С.Дубинко,А.И.Кокорев,Н.А.Красильникова,С.С.Красильников,В.В.ТарасоваОмегатронЛабораторная работа № 2Ионизация атомов и молекулэлектронным ударомЛабораторная работа № 3Методическое пособие для студентов 3-го курсафизического факультета МГУИД № 00545 от 06.12.1999Издательство УНЦ ДО117246, Москва, ул.

Обручева, 55А119992, Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ, Ж-105аТел./факс (095) 718-6966, 939-3934e-mail: izdat@abiturcenter.ruhttp://www. abiturcenter.ruГигиенический сертификат № 77.99.2.925.П.9139.2.00 от 24.02.2000Налоговые льготы – Общероссийский классификатор продукцииОК – 005 – 93, том 1 – 953000Заказное.Подписано в печать 01.06.2005 г. Формат 60х90/16Бумага офсетная № 2. Усл.печ.л. 3Тираж 70 экз. Заказ №Отпечатано в Мини-типографии УНЦ ДО в полном соответствии скачеством предоставленного оригинал-макета.44.