Задача 3. Масс-спектрограф омегатрон. Ионизация атомов и молекул электронным ударом. (1121296), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таким образом, прибор хорошо будет работать при некотором оптимальном значении E0 , величины массы анализи-В омегатроне, используемом в задачах 2 и 3, оптимальныезначениялежатвпределахприН≥2000Э.0,3 В / см ≤ Е0 ≤ 2 В / смПрежде чем резонансный ион достигнет коллектора, он двигаясь по спиральной траектории, пройдет расстояние S равное (см. Приложение)S =er02 H 2Mc 2 E 0и успеет совершить большое число оборотов n около осиприбора, где n определяется соотношением:n =er 0 H2.(8)π Mc E 02Формула (8) получена в предположении, что ионпри своем движении не испытывает соударений с атомамигаза в приборе, в противном случае он не попадет на коллектор.Это обстоятельство определяет допустимуювеличину давления газа в камере прибора.

В условияхэксперимента данной задачи давление газа Р в омегатро−5не должно быть P ≤ 10мм.рт.ст. Резонансный ион,двигаясь по спирали с ускорением, к концу пути (в магнитном поле Н он будет обладать циклотронным радиусомr0 ) приобретает энергиюW , равную2 22 2 2MV 2 M ω 0 r0 e r0 HW ===222 Mc 2руемых ионов, напряженности магнитного поля Н и конструкции прибора r0 .( )10(7)11.(9)Устройство омегатрона.Омегатрон представляет собой металлическую камеру, заключенную в небольшой стеклянный баллон. Камера является одновременно и источником и анализатором ионов. Схема омегатрона представлена на Рис. 1.Электронный пучок создается катодом 1, и напряжениями,приложенными к диафрагме 2, корпусу камеры 9 и коллектору электронов (аноду 4). Фокусируется пучок магнитнымполем Н и электронно - оптической системой, состоящейиз диафрагмы 2, корпуса камеры 9 и коллектора электронов 4.

Пучок сфокусирован на анод 4 тогда, когда одна изосей прибора, проходящая через отверстия в корпусе идиафрагме (линия 3) совпадает с направлением силовыхлиний магнитного поля. При этом ток в анодной цепи достигает максимальной величины ( I A = 10 мkA ) , а в цепикорпуса камеры приблизительно равен нулю.Пучок электронов, проходя через камеру, ионизирует газ в приборе.

На две пластинки 5 и 6, расположенные параллельно оси электронного пучка, подается высокочастотное напряжение. Причем на пластинку 6 подается«земля» высокочастотного генератора. При фокусировкеприбор расположен в полях так, чтобы ось электронногопучка была H и E⊥H . В пластинке 6, находящейся подпотенциалом «земли», сделано отверстие для приемникаионов, представляющего собой Т-образную полоску из нихрома. Все металлические детали омегатрона выполненыиз тантала толщиной 0,2 мм.

В качестве катода используется вольфрамовая спираль, изготовленная из проволокидиаметром 0,1 мм. Расстояние между высокочастотнымипластинками, передней и задней стенками камеры 2 см.Расстояние между осью электронного пучка и приемникомионов r ≅ 0,6 см. Все электрические выводы через стекловыполнены в виде двух гребенок. Через одну из гребенокподводятся все постоянные и высокочастотные напряжения на электроды лампы, а через другую - ввод приемникаионов.ПРИЛОЖЕНИЕЦиклотронный резонанс.Уравнения движения.Физическое явление, использованное в омегатроне дляпространственного разделения ионов по удельным зарядам, носит название ионного циклотронного резонанса;пусть однородное электрическое поле напряженностьюE = E0 sin ωt + ϕ направлено по оси ОХ, а однородное()магнитное поле Н по оси ОZ.Уравнение движения иона массы М и заряда е:→dVe  → →M= eE +  V H 0 cdtпри учете , чтоEx = E, Ey = Ez = 0, Hz = H Hx = Hy = 0,в скалярной форме имеет видdV xdtdVydtdVdt=eeHE sin (ω t + ϕ ) +V ,M 0Mc y=−(П.1)eHV ,Mc xz =0Решая уравнения (П.1) в предположении, что в момент времени t = 0 (момент рождения) ион покоился инаходился в начале координат, получим:x(t) =α 21− γ  γ +1cosθ + ϕ sinθ cosϕ sinθ −1+ γ 1− γ  2  2 (П.2)1213y(t ) = −αγ (1+ γ )2θ{2(1+ γ ) cosϕ sin2x(t ) = −+ sin ϕ cosθ −(П.3)гдеα=)((П.7)21− γ  γ +1−sinθ + ϕ  sinθ  − (1+ γ ) cosϕ}.1− γ  2  2 Z (t ) = 0cEω − ω   ω0 + ω0 sin 0t  cost +ϕ H ω −ω 2 20,(П.4)0 , γ = ω , ω = eH , θ = ω t0 Mc0ω0Mω 2eEy (t ) =ω −ω   ω0 +ω0 sin 0t  sint +ϕ H ω −ω220(cE)(П.8)Из соотношений (П.7) и (П.8) следует, что в том(П.5)т.е.

из начальных условий и уравнения движения следует,что ион будет двигаться в плоскости ХОУ.Определим характер изменения координат ионавблизи резонанса, т.е. при условии, что ω − ω << ω .0Аналогичным образом из соотношения (П.3.)получим, что изменение У-координаты иона вблизи резонанса будет определяться равенством0ω0 будет близкак частоте колебаний электрического поля ω расстояниеслучае когда циклотронная частота ионазаряженной частицы от начала координат будет:r = x2 + y2 =Учитывая обозначения (П.5), запишем равенство(П.2) в видеx (t ) =−(cE0H ω −ωω −ω{ 0sin θ cos ϕ −ω0 + ω0)0,(П.6)ω 0 − ω << ω 0и)(П.9)3) с угловой частотой0 cos  γ + 1 θ + ϕ  sin  1 − γ θ } 2 2+ω)а так как по условию(Таким образом, вблизи резонанса ион будет двигаться по приблизительно спиральной траектории (см. рис.2ω(ωω −ω 0 sin 0t2H ω −ω0cEω 0≈ ω ,то из(П.6) и (П.5) следует, что Х-координата иона вблизи резонанса определяется соотношением:(1ω +ω2 0)(см.

уравнения (П.7),(П.8)). При этом радиус траектории иона периодически меняется с частотой 1 (ω 0 + ω ) . Из (П.9) следует, что вблизи2резонанса амплитуда колебаний радиуса иона захватываcE0ет область от r = 0 до r =. В том случае, когдаH ω0 − ωчастота изменения электрического поля совпадает с циклотронной частотой иона, т.е. при резонансе (ω = ω ) ,()01415как это следует из (П.9), траекторией движения иона будетспираль Архимеда.

Действительно, пределом соотношения (П.9) при ω → ω будетОтсюдаdϕ =0r=cE0t2H,(П.10)т.е. в омегатроне резонансные ионы, двигаясь по раскручивающейся спирали, будут ускоряться, непрерывно получать приращение энергии, а нерезонансные ионы будутдвигатьсяпонекоторойскручивающейсяраскручивающейся кривой в пределах ограниченной области около оси прибора, не получая энергии от электрического поля (в среднем).Если на расстоянии r от оси прибора помес-0тить приемник, то резонансные ионы, двигаясь по раскручивающейся спирали, попадут на него.Определим путь, который проходят резонансные ионы, прежде чем они попадут на коллектор.

Расстояние резонансного иона от оси прибора с течениемвремени изменяется по закону (П.10). За время dt ионпроходит путьdL(см. Рис.3) , равныйdL = r 2 dϕ 2 + dr 2dra(П.12)Подставляя (П.12) в (П.11) , получим r 2 dL =   + 1 dr a (П.13)Интегрируя (П.13) в пределах от 0 до r0 определим путь Lиона:1L=cE0 {4Hω 4r 2 Hω 22+ 0+ 1 + c2E 202r Hω0cE01 4r 2 Hω 22rH2ω+ ln  0+ 0+ 1 c2E 2 cE 00}( П.14 )(П.11)Определимdϕ . Для этого приведем (П.10) к видуr=гдеа =cE02HωcE0t=0 ϕ = аϕ ,2H2 Hω6Для омегатрона w ~ 10 -101 В/см ;cEСледовательно :72r0 Hω>> 1.cE0.16сек17-1; H ~ 3.5 103Э; E~Поэтому 4r H ωer 2 H 2cE00 ln  0L =+ cE4HωMc 2 E00er 2 H 2 =02EMc0(П.15)Легко подсчитать число оборотов n, которые совершит резонансный ион до того, как он попадет на коллектор:n =H 2ter0 =0.Tπ E 0 Mc 2(П.16)Максимальная величина сечения ионизациинекоторых атомов и молекулэлектронным ударомEi - энергия ионизации , эВ ;σ - максимальная величина сечения ионизации, 10-16 см2.Атом ,молекулаHEi , эВИонH+13.61.3+15.6+15.714.512.59.514.124.675.01.012.872.62.913.253.070.350.0015+21.663.00.780.45H2H2N2NO2NOCOHeN2+N+O2+NO+CO+He++HeNeNe++Ne+HgHgРис.3.18σ , 10-16 см2++Hg+++Hg1910.45.8530.00.971.00.02ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2ОмегатронЦелью настоящей задачи является детальное ознакомление с работой омегатрона и анализ ионов легкихмасс в составе остаточного газа в лампе.С этой целью в данной работе используется установка «Измеритель парциальных давлений ИПДО-12»,датчиком которого служит омегатронная лампа типа РМО14С.ИПДО-12 состоит из следующих функциональныхблоков: измерительный блок, выносной блок, электронныйсамодвижущий потенциометр, электромагнит, омегатронная лампа.В состав измерительного блока входят:1.Электрометрический усилитель постоянного токаУЭ-12б, служащий для усиления и измерения ионных токов датчика.

Диапазон измеряемых токов от3 ∗ 10−101 ∗ 10−13 доА.2.Генератор высокой частоты Г-12 (25 кГц-6,2 мГц),служащий для создания переменного электрического поляи имеющий устройство для автоматической развертки почастоте. Генератор имеет непрерывный диапозон частотот 25 до 515 кГц, а также частоты 1,5; 2; 3 и 16 мГц.

Выходное напряжение генератора регулируется не менее,чем от 0,2 до 2 В на частотах 25-515 кГц и от 0,4 до 4 В начастотах 1,5; 2; 3 и 16 мГц. Напряжение на выходе генератора контролируется вольтметром.3.Блок питания датчика ( БП-12 ), включающий всебя схему стабилизации тока коллектора электронов (тока луча) и питания генератора.Название и назначение всех приборов, переключателей и ручек, имеющихся на передней панели измерительного блока подробно приведено в описании.20От блока питания к датчику (омегатрону) поступают следующие стабилизированные напряжения постоянного тока (относительно корпуса прибора):− 100 ± 10 В к катоду,+ 10 ± 1 Вк диафрагме,от + 50 до 100 В к коллектору электронов,от 0 до +1,5 В к улавливающим пластинам (анализатор ионов).Рис.4. Блок схема установки:1 - индикатор И-2; 2 - усилитель электрометрический УЭ-2; 3 - блок питания БП-2; 4 - генератор Г-2;5 - датчик РМО-4С; 6 - выносной блок (предусилитель); 7 - самописец КСП-4.21314275611MHz891012Рис.5.

Общий вид передней панели измерительного блока:1-экран индикатора И-2; 2-тумблер включения индикатора; 3-измерительный прибор (амперметр); 4включениеУЭ-2; 5-шкала и переключатель пределов измерения УЭ-2; 6-прибор контроля за режимом работы датчика; 7-прибор контроля тока луча датчика; 8-включение измерительного блока (тумблер «Сеть»); 9-включение катодадатчика; 10-вольтметр для измерения напряжения ВЧ; 11ручка изменения частоты генератора Г-2 и шкала частот(МHz); 12-«Пуск» и «Стоп» автоматической развертки частоты.Накал датчика осуществляется постоянным током(напряжение 1,3 В).224.Блок осциллографического индикатора И2, который позволяет наблюдать спектр масс на экране ЭЛТ. Напередней панели измерительного блока ИПДО-2 расположены следующие ручки и тумблеры (рис.5.): блок питанияБП-2:-тумблер «Сеть»-для включения и выключенияприбора;-тумблер «Катод»-для включения и выключения тока, питающего катод датчика;-ручка «Ток луча»-для плавной регулировки ионизирующего тока в цепи коллектора электронов;-ручка «Напряжение улавливающих пластин»-дляплавной регулировки напряжения на улавливающих пластинах;-тумблер «Ток диафрагмы»-«Напряжение улавливающих пластин» - для переключения стрелочного прибора;-тумблер "10 µA − 30 µA" - для переключения пределов измерения стрелочного прибора;-кнопка «Ток улавливающих пластин» (нажать) для измерения стрелочным прибором тока улавливающихпластин;блок генератора Г-2:-ручка «Напряжение в.ч.-для плавной регулировкинапряжения высокой частоты на датчике;-ручка «Частота» - для плавной регулировки частоты генератора;-ручка «Установка нулевых биений» - для установки нулевых биений генератора.

Характеристики

Список файлов лабораторной работы