Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
Другой ион, вылетающий под небольшим углом а (рис. 28), в однородном магнитном поле движется по такой же окружности, повернутой как целое вокруг начальной точки S. Эта окружность пересечет диаметр 5Л первой окружности в точке В. Легко видеть, что
АВ = 2R( 1 — cos а) = 4Л sin2 да Ra2. (4)
Хотя максимальное расхождение траекторий этих двух ионов, как видно из рис. 28, равно Ra, расстояние АВ, пропорциональное квадрату малого угла а, значительно меньше. Поэтому, если источником
Рис. 28. Фокусировка поперечным однородным магнитным полем
90
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
S служит щель, через которую влетают ионы, то АВ будет «изображением» этой щели в виде сравнительно узкой полоски. Таким образом, поперечное однородное магнитное поле фокусирует расходящийся пучок, действуя подобно цилиндрической линзе.
Селектор скоростей ионов. Для получения пучка ионов с одинаковыми по модулю скоростями используют фильтры скоростей. Схема самого простого фильтра скоростей показана на рис. 29: пучок заряженных частиц с различающимися скоростями
пропускается через скрещенные электрическое (Е) и магнитное (В) поля. Очевидно, что через малое выходное отверстие смогут пройти только те ионы, скорость которых удовлетворяет условию (2). Ионы с другими скоростями будут задержаны диафрагмой D.
Масс-спектрометр с поперечной фокусировкой. На рис. 30 показана схема масс-спектрометра А. Демпстера с фокусировкой на л радиан. Ионы, создаваемые источником А, приобретают одинаковую
1"
Рис. 30. Схема масс-спектрометра Демпстера
дополнительную энергию под действием ускоряющей разности потенциалов U, приложенной между источником А и выходной щелью С. Через щель 5[ слегка расходящийся пучок ионов попадает в область, где действует поперечное однородное магнитное поле В. Ионы, обладающие различными значениями е/т, в соответствии с (3) фокусируются в разных местах, так как движутся по окружностям разных радиусов. Входящую в (3) скорость v можно определить из условия
evR
ГЕё
Рис. 29. Схема фильтра скоростей заряженных частиц
§ II. ИЗМЕРЕНИЯ В АТОМНОЙ ФИЗИКЕ
91
в котором пренебрегается первоначальной кинетической энергией теплового движения ионов по сравнению с энергией, приобретаемой ими при разгоне в электрическом поле. С помощью (3) и (5) для квадрата радиуса окружности получаем
Подбирая ускоряющее напряжение U или индукции магнитного поля В так, чтобы при данном е/т радиус R приобретал нужное значение, можно выпустить через выходную щель S2 ионы любой массы. При этом можно не только измерять массы ионов, но и количественно исследовать состав исходного вещества: сила тока ионов через коллектор Р служит мерой количества ионов данной массы.
Разделение изотопов. На таком же принципе действуют лабораторные и промышленные установки по разделению изотопов электромагнитным методом. Схема такой разделительной установки приведена на рис. 31. Установка размещается внутри большой вакуумной камеры, помещенной между полюсами электромагнита.
В отличие от измерительных масс-спектрометрических приборов в установках для разделения изотопов сила ионного тока в пучке в миллионы раз больше.
Электронная оптика. Движение пучков заряженных частиц в отклоняющих и фокусирующих системах масс-спектрографов можно рассматривать аналогично прохождению световых пучков в оптических приборах. На этой аналогии основана прикладная наука — электронная и ионная геометрическая оптика. Она получила большое развитие благодаря разнообразным практическим потребностям в таких областях, как электронная микроскопия, телевидение, производство электронных микросхем и т. д.
(6)
Рис. 31. Схема электромагнитной разделительной установки
92
III. АТОМЫ, МОЛЕКУЛЫ, КРИСТАЛЛЫ
В современных приборах, где используются электронные и ионные пучки, удается добиться совершенной фокусировки пучка частиц с заданным значением е/т, обладающих некоторым разбросом как модуля скорости, так и ее направления.
Разрешающая способность. Основной характеристикой качества масс-спектроскопической системы является ее разрешающая способность. Это понятие перенесено из теории оптических спектральных приборов. Говорят, что масс-спектрограф обладает разрешающей способностью г, если минимальная относительная разность масс Дт/т для двух близких по массе частиц, регистрируемых раздельно, определяется равенством
Ат/т = 1/г.
В хороших современных масс-спектрометрах разрешающая способность достигает значения 8-104. На рис. 32 показана типичная спек-
200
0>
в 160
н
о
а
О 120
а
л
X
5 80
5
?
о
ч
о
= 40
о
Н
205 204 203 202 201 200 199 198 197 196 195 Атомные единицы массы
Рис. 32. Спектр масс изотопов ртути
