Задача 3. Масс-спектрограф омегатрон. Ионизация атомов и молекул электронным ударом. (Задачи атомного практикума)

Московский ГосударственныйУниверситет им. М.В. ЛомоносоваМосковский государственный университетимени М.В. ЛомоносоваНАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИим. Д.В.СКОБЕЛЬЦИНАНаучно_исследовательский институт ядерной физики имени Д.В.СкобельцынаАтомный практикумГ.И.Горяга ,В.В.Дегтерева,Т.С.Дубинко,А.И.Кокорев,Н.А.Красильникова,С.С.Красильников,В.В.ТарасоваАтомный практикумОмегатронЛабораторная работа № 2Ионизация атомов и молекулэлектронным ударомОмегатронЛабораторная работа № 2Ионизация атомов и молекулэлектронным ударомЛабораторная работа № 3Лабораторная работа № 3Под редакциейКрасильникова С.

С.УНЦ ДОМосква20050УНЦ ДОМосква20051УДК 539.18ББК 22.28ВВЕДЕНИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ № 2 и № 3.Г.И.Горяга ,В.В.Дегтерева,Т.С.Дубинко,А.И.Кокорев,Н.А.Красильникова,С.С.Красильников,В.В.ТарасоваАТОМНЫЙ ПРАКТИКУМ. Омегатрон. Лабораторная работа № 2. Ионизация атомов и молекул электронным ударом .Под редакцией Красильникова С.С. Учебное пособие.

М. : Издательский отдел УНЦ ДО ,2005 . – 44 стр.Масс-спектроскопия - физический метод количественного и качественного определения состава вещества по спектру масс его атомов и молекул.Масс-спектроскоп - прибор, предназначенныйдля анализа массового спектра вещества. В основе действия всех масс-спектроскопов лежит разделение (в пространстве или времени) с помощью электрических и магнитных полей заряженных частиц (обычно ионов) с различным удельным зарядом (Ze M ) , сводящее анализмасс к последовательности ряда операций:а) создание ионного пучка;б) разложение ионного пучка на компоненты позначениямIBSN 5-211-03287Лабораторная работа из цикла «Атомный практикум» физического факультета МГУ по общемукурсу «Атомная физика».Для студентов физического факультета МГУ.Ze M ;в) регистрация и измерение интенсивности каждой компоненты ионного пучка.В соответствии с этим блок-схему любого массспектроскопа можно представить в виде трех узлов:а) ионного источника, в котором осуществляетсяионизация и формирование ионного пучка;б) анализатора, служащего для разложенияионного пучка на компоненты по удельному зарядуZe M ;ISBN 5-211-03287(©Г.И.Горяга ,В.В.Дегтерева,Т.С.Дубинко,А.И.Кокорев,Н.А.Красильникова,С.С.Красильников,В.В.Тарасова©Московский ГосударственныйУниверситет, 20052)в) регистрирующего устройства (коллектора), служащего для регистрации и измерения интенсивности каждойкомпоненты пучка.Основнымихарактеристикамимассспектроскопов являются:а) разрешающая сила R - величина, обратнаяминимальной относительной разности масс, при которойдве близкие массы M 0 и M еще регистрируются прибором как различные, т.е.3MM0;R= 0 =∆M M 0 − M(1)б) дисперсия по массам D - величина равнаяизмерению расстояния между линиями х (или иного параметра, по которому развертывается спектр масс) при заданной относительной разности масс, т.е.D=xM0M0=x∆MM0 − M;(2)в) чувствительность - минимальное количествоионов, которое еще может зарегистрировать прибор.Чувствительность в сильной степени зависит отсветосилы прибора, определяемой как произведение ширины щели источника на величину угла раскрытия первичного ионного пучка, все частицы которого после прохождения анализирующего поля попадают на коллектор массспектроскопа.Всю совокупность масс-спектроскопических устройств в соответствии со способом регистрации ионногопучка можно разделить на две группы: масс-спектрографыи масс-спектрометры.Представим себе, что ионный пучок посредством анализатора разлагается на компоненты по Ze M внекоторой области пространства.

При этом ионы различных масс движутся по различным траекториям. Положениев пространстве траектории иона с удельным зарядомZe M зависит от ускоряющего ионы потенциала U, напряженности магнитного поля Н . Изменяя U или Н можноизменять положение траектории иона в пространстве.Иначе говоря, по одной и той же траектории можно поочередно проводить ионы различных масс. Отсюда следует,что измерять массы ионов можно двумя способами.Первый способ.

Разложив ионный пучок на компоненты, можно одновременно регистрировать ионы каждого сорта во всем пространстве траекторий. Такая реги-4страция осуществляется фотографическими методами.Масс-спектроскопические устройства с таким способомрегистрации относятся к группе масс-спектрографов (массспектрографы Томсона, Астона, Демпстера и др.).Второй способ. Выбрав постоянную для данногоприбора траекторию ионов, путем изменения соответствующего параметра ионно-оптической системы, поочередно выводить на нее каждую компоненту ионного пучка иизмерять ее интенсивностью. При этом регистрация интенсивности компонент пучка ионов осуществляется электрическими способами.

Устройства с электрическими способами регистрации компонент ионного пучка называютсямасс-спектрометрами.По принципу действия масс-спектроскопы делятся на статические и динамические. В статических массспектроскопах траектории ионов в постоянных во времениэлектрических и магнитных полях зависят от величиныZe M . В динамических - удельный заряд иона определяется либо по периоду его колебаний в переменных электрических и магнитных полях, либо по периоду обращенияили циклотронным резонансным частотам, либо по времени пролета иона от источника до коллектора.Каждая из этих групп масс-спектроскопическихустройств имеет свою область применения свои преимущества и недостатки.Масс-спектрографы позволяют определить массу заряженной частицы с высокой степенью точности, т.е.обладают высокой разрешающей способностью R .

Разрешающая способность современных масс-спектрографовдостигает R ≈ 6 ∗104 . Однако, методы фотографическойрегистрации компонент ионного пучка очень трудоемки ине позволяют точно определить концентрацию компонент.Напротив, масс-спектрометры имеют сравнительно небольшую разрешающую способность R ≈ 100 − 400 .()Однако, они обладают высокой чувствительностью. Современные масс-спектрометры позволяют определитьконцентрацию примесей до 10−4 .В последнее время в связи с развитием импульсной и высокочастотной техники группа массспектрометров пополнилась динамическими (радиочастот-5ными) масс-спектрометрами: резонансными (фарвитрон),время-пролетными (хронотрон), циклотронными (омегатрон), имеющими ряд преимуществ: простота конструкции,компактность и др.В предлагаемых лабораторных работах изучается радиочастотный спектрометр (омегатрон) и один изспособов его использования в физическом эксперименте(изучение ионизации атомов и молекул электронным ударом).

Целью настоящей работы является знакомство спринципом действия и устройством омегатрона, а такжепроведение анализа легких масс-ионов газовой смеси.Пусть электрическое полеE = E0 sin( ω t + ϕ )направлено по оси ОХ, а однородное постоянное магнитное поле Н по оси ОZ.Принцип действия прибора.Омегатрон-высокочастотный масс-спектрометр,представляет собой миниатюрный циклотрон. Физическая идея лежащая в основе работы омегатрона состоит всоздании спиральной раскручивающейся траектории заряженной частицы в скрещенных однородных постоянноммагнитном и переменном электрическом полях.При этом оказывается, что ион данной массы (точнее Ze M ) будет достигать в конце траектории заданнойкоординаты (положения коллектора) только при определенной частоте электрического поля. Меняя ее, можно последовательно приводить ионы различной массы к детектору, т.е.

производить анализ ионов.Принципиальная схема омегатрона приведенана рис.1. Узкий электронный пучок 3, параллельный направлению магнитного поля Н проходит от катода 1 черездиафрагму 2 и центральную часть кубической камеры омегатрона к коллектору электронов 4. К пластинкам 5, параллельным направлению магнитного поля Н, прикладывается напряжение высокой частоты.

Электронный пучок, проходя через камеру, сталкивается с атомами или молекулами газа, находящегося обычно в небольшом количествев омегатроне и ионизует их. Таким образом, возникающиев электронном пучке на оси прибора ионы газа двигаютсяво взаимно перпендикулярных однородных магнитном ивысокочастотном электрическом полях.6Рис.1.

Схема омегатрона: 1-катод; 2-диафрагма; 3электронный пучок; 4-коллектор электронов(анод); 5 и 6высокочастотные электроды; 7-коллектор ионов; 8-экранвывода коллектора; 9-корпус камеры.Ze MРешая уравнение для иона с удельным зарядомв предположении, что ион при t=0 (в момент рож-дения) покоится и находится в начале координат, можноубедиться в том, что он будет двигаться перпендикулярномагнитному полю в плоскости XOY (см. Приложение). Втом случае, когда частота электрического поля близка кциклотронной частоте иона,7ω 0=ω 0 − ω << ω 0eH, т.е. когдаMc, ион будетдвигаться приблизительно по спиральной траектории (см.рис.2) с угловой частотой 1 (ω + ω ) и радиусом0ИзcE0ω −ω sin 0tH (ω 0 − ω )  2(3)ω 0 − ω << ω 0видно,чтовблизи(3)резонансарадиус траектории иона периодически1(ω 0 − ω ) .

Амплитуда колебаний2радиуса будет меняться в пределах от r = 0доменяется с частотойrmax =cE0.H (ω 0 − ω )(Радиус резонансного иона ω0 =ω)легко определить из выражения (3), перейдя к пределу ω → ω  :0r=(см. рис.2), т.е. резонансные ионы будутускоряться, и они будут двигаться по раскручивающейсяспирали, пока не попадут на коллектор, расположенный нанекотором расстоянии r0 от начала координат (оси прибоВсе нерезонансные ионы не накапливают энергию и поэтому будут двигаться в пределах ограниченнойобласти около оси прибора, будут оставаться вблизи осивнутри цилиндрической области переменного радиуса r(см. (3)).Следовательно, изменяя частоту колебанийэлектрического поля ω = 2πν , можно направлять на коллектор ионы различных удельных зарядов. Зная частотузаряд иона Ze , легкоколебаний электрического поляопределить массу резонансных ионов (ионов, попавших наколлектор).

Действительно, при резонансе ( ω 0 = ω ) дляνоднозарядного иона получаем:eH= 2 πν , откудаMcM=eH2 πν c(4)cE0t .2Hт.е. при резонансе ионы будут ускоряться и двигаться поспиральным траекториям все увеличивающихся радиусов(по архимедовым спиралям). Они будут вести себя аналогично тому, что наблюдается в циклотроне, где ионы движутся по круговым орбитам, радиус которых на краях дуантов скачком увеличивается дважды в течение каждогооборота.Таким образом, если частота электрическогополясовпадает с частотой вращения ионов в магнитном поле (циклотронной частотой ω 0 = eH Mc ), ионыωбудут двигаться по спирали, их азимутальный угол θ всегда будет совпадать с фазой высокочастотного электриче-8ωtра).2r=ского поляРис.2 Вид траекторий ионов в омегатроне:1-траектория нерезонансных ионов; 2- траекториярезонансных ионов;3-коллектор ионов.9Из (3) видно, что помимо резонансных ионов наколлектор могут попадать ионы, максимальное значениерадиуса траектории которых будет больше или равно расстоянию r0 до коллектора.

Это будет когдаcE 0≥ ωr0 Hω01− ω =∆ω20Следовательно, при фиксированной частотебудут регистрироваться ионы в интервале частот0∆ω0электрического поля∆ω 0 =2 cE 0r0 HПоэтому разрешающая способность(5)Rприбораравна2ω0Me r0 HR===∆M∆ωM 2c 2 E00(6)т.е. разрешающая способность омегатрона при прочихравных условиях уменьшается с увеличением массы анализируемых ионов. Поэтому прибор целесообразно использовать для анализа легких масс. Кроме того, разрешающая способность омегатрона обратно пропорциональна амплитудному значению напряженности электрического поля. Поэтому невыгодно вести измерения прибольших значениях напряженности электрического поля.Напротив, чувствительность прибора при прочихравных условиях будет тем больше, чем больше E 0 .