книги / Справочное пособие по магнитным явлениям

чтобы параллельные по отношению к магнитному полю магне­ тоны отклонялись первой системой вниз, а второй вверх, прежде чем они попадут на мишень в конце пути. Антипараллельные магнетоны устраняются из пучка при помощи специальных ще­ лей, или диафрагм, установленных на ключевых позициях по ходу пучка. Этим способом, однако, не удается полностью раз­ делить магнетоны, так как молекулы с разными характеристи­ ками могут попасть на одну и ту же мишень в результате дви­ жения по разным траекториям.

Между двумя отклоняющими системами создают область равномерного магнитного поля Н. На магнетоны, проходящие через это поле, дополнительно воздействуют переменным маг­ нитным полем, как показано на рис. 8.1. Если напряженность равномерного поля и частота переменного поля выбраны соот­ ветствующим образом, то некоторые из магнетонов, движущихся в поле, начинают прецессировать. Поскольку прецессия изме­ няет вертикальную компоненту их магнитного момента, прецес­ сирующие магнетоны попадают в иные места расположения приемной мишени, чем непрецессирующие. Если напряженность поля Н и частота прецессии отрегулированы так, что ионный ток, приходящий к мишени, минимизируется, то устанавли­ ваются определенные характеристики прецессирующих магне­ тонов.

23. МАГНЕТРОННЫЕ ЭФФЕКТЫ В ГАЗЕ

Заряженная частица, движущаяся перпендикулярно направ­ лению магнитного поля, стремится перейти на круговую траек­ торию, которая называется магнетронной орбитой. Радиус маг­ нетронной орбиты, пройденное расстояние и скорость движения на ней — это факторы, которые можно изменять для достижения различных поставленных целей.

23.1. МАГНЕТРОННЫЙ РАДИУС

Заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, опи­ сывают магнетронные траектории под влиянием сил Лоренца. Радиус этих траекторий, или магнетронный радиус, определяется следующей формулой:

Заряженная частица ускоряется под действием градиента электрического потенциала. Все заряженные частицы, имеющие в начале движения нулевую скорость и несущие один и тот же электрический заряд, приобретают в дальнейшем одинаковые скорости, если они находятся под влиянием одного и того же

ускоряющего напряжения. При этом приращение импульса (количества движения) заряженной частицы пропорционально времени, в течение которого к частице приложена ускоряющая сила. Поскольку импульс пропорционален произведению массы на скорость (то), все частицы, находившиеся первоначально в неподвижном состоянии, несущие одинаковые электрические заряды и испытывающие действие одинаковых градиентов по­ тенциала на протяжении одинаковых интервалов времени, при­ обретают один и тот же импульс.

Если величины е и Н в уравнении (23.1) остаются посто­ янными и все заряженные частицы проходят одинаковые рас­ стояния с одним и тем же градиентом потенциала, то их маг­ нетронные радиусы будут пропорциональны массам частиц. Если же постоянной поддерживается только величина Н, и все заряженные частицы движутся в течение одинаковых интер­ валов времени под влиянием одного и того же градиента потен­ циала, то их магнетронные радиусы будут пропорциональны зарядам частиц.

23.2. ЦИКЛОТРОННАЯ ЧАСТОТА

Когда частица движется по магнетронной орбите, радиус ее траектории возрастает при увеличении скорости движения. Поскольку этот радиус пропорционален скорости, при любой магнетронной орбите для завершения магнетронной траектории частица затрачивает всегда одно и то же время. Следователь­ но, частица каждого типа вращается по магнетронной орбите с определенной частотой, зависящей исключительно от напря­ женности магнитного поля.

Частицам каждого типа свойственно вполне определенное линейное соотношение между частотой обращения по магнетрон­ ной орбите, или циклотронной частотой и магнитной индук­ цией В. Для электрона это соотношение имеет следующий вид:

/= 2 ,8 -1 0 2 В, (23.2) где В — магнитная индукция, выраженная в теслах.

23.3. ЦИКЛОТРОН

Циклотрон — это устройство, в котором для ускорения дви­ жения заряженных частиц используется переменное напря­ жение, частота которого равна частоте обращения частицы по орбите. Как показано на рис. 23.1, на два полых электрода в форме буквы О подается переменное напряжение с такой час­ тотой, что при каждом пролете через зазор частица данного типа испытывает действие ускоряющей силы, создаваемой соот­ ветствующим напряжением между электродами. Вследствие это­ го по завершении каждой половины цикла циклотронного вра-

катоду. Постоянный ток продолжает течь через такой диод при увеличении напряженности поля до тех пор, пока она не примет критического значения. Тогда ток резко падает до нуля (отсе­ кается) и сохраняет нулевое значение при дальнейшем увеличении напряженности поля. Если же напряженность поля поддержи­ вается постоянной, то ток через диод отсекается при условии, что ускоряющее электрическое напряжение становится меньше некоторого критического значения (это значение на практике является неустойчивым).

Электроны, движущиеся по криволинейной траектории, соз­ дают магнитное поле Ленца. Если ток в магнетроне, не дости­ гая анода, завершает круговую траекторию, то генерируются более сильные поля Ленца, чем в случае, когда ток собирается анодом.

Магнитное поле, воздействующее на электрический ток, пред­ ставляет собой сумму приложенного внешнего поля и поля Ленца. Вследствие этого существует критическая напряжен­ ность внешнего магнитного поля (и критическое электрическое напряжение), при котором анодный ток начинает колебаться — отсечка и восстановление тока чередуются. При критической напряженности поля анодный ток сначала отсекается под влия­ нием определенного сочетания приложенного поля и напряжения возбуждения; однако в результате вычитания поля Ленца из приложенного поля уменьшается общее поле, воздействую­

Поскольку электроны имеют малую массу и могут разго­ няться до очень больших скоростей, магнетронные колебания происходят с высокими частотами.

23.6. МАГНЕТРОННЫЙ МАНОМЕТР

Электроны, движущиеся в газе, периодически испытывают столкновения с молекулами газа. Если электроны движутся до­ статочно быстро, то в результате этих столкновений происхо­ дит ионизация молекул. Когда образующиеся ионы служат носи­ телями электрического тока, значение этого тока можно исполь­ зовать в качестве меры числа присутствующих в объеме молекул газа и, следовательно, меры давления газа.

Если в устройстве, изображенном на рис. 23.3, поменять мес­ тами катод и анод, так чтобы цилиндрическая втулка играла роль катода, а центральная проволока — анода, то устройство можно использовать для измерения давления газа (рис. 23.4). В этом обращенном режиме работы выбраны значения ускоряю­ щего напряжения и напряженности магнитного поля, поддер-

Рис. 23.4. Магнетронный манометр. При определенных условиях, когда электроны-носители в вакууме движут­ ся по круговой траектории, не попадая на анод, ток в приборе не течет. Если же разреженное пространство заполне­ но газом, то в результате столкновений электронов с молекулами газа их кру­ говые траектории деформируются и между катодом и анодом начинает

течь ток:

/ — траектория электрона; 2 •—траектория иона

живающие круговые траектории электронов, которые движутся со скоростью, достаточной для ионизации молекул газа. Если в приборе вообще отсутствуют молекулы газа, то ток диода будет равен нулю. Если же молекулы газа имеются, то некото­ рые из них ионизируются, образующиеся ионы ускоряются электрическим полем и движутся к катоду. В' то же время не­ которые электроны — либо отклоненные в результате столкно­ вения с молекулами, либо выбитые из молекул — движутся к аноду. Эти движения заряженных частиц двух видов образуют электрический ток, значение которого служит мерой давления газа.

23.7. МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Если молекулы всех типов, содержащиеся в сложном газе, подвергнуты ионизации, то при помощи процедуры анализа, основанной на действии сил Лоренца, можно отделить ионы одного типа от ионов всех других типов.

Подчиняясь уравнению (23.1), каждый ион, находящийся под одновременным действием электрического и магнитного полей, описывает круговую траекторию. Если в пространстве имеются ионы нескольких различных типов и все они испыты­ вают влияние общего электрического и общего магнитного полей, то радиусы траекторий их движения зависят от отноше­ ния т /е. Поскольку е — целое число, которое можно положить равным 1, радиусы траекторий частиц определяются их мас­ сами. Но массы частиц разного типа различаются на величины, близкие к целым кратным массе протона, поэтому траектории ионов разных типов имеют радиусы, принимающие дискретные значения, между которыми находятся запрещенные зоны.

Если на пути частиц каждого предполагаемого типа уста­ новить коллектор, то наличие электрического тока через опреде­ ленный коллектор будет указывать на присутствие ионов соот­ ветствующего типа. В то же время относительные значения

Рис. 23.5. Масс-спектрометр Астона. Радиус кривизны траектории, по которой движется заряженная частица в магнитном поле, зависит от напряженности этого поля, а также от заряда, скорости и массы частицы. Если все эти величины, кроме последней, поддерживать постоянными, то можно разделять частицы на группы в соответствии с их массами

токов на разных коллекторах характеризуют соотношение между

ра. Все ионы образуются в одном точечном источнике, причем напряженность одного из полей — либо электрического, либо магнитного — поддерживается постоянной, а напряженность другого плавно изменяется во времени. Когда траектории час­ тиц разных типов, изменяя свой радиус, проходят через общий коллектор, он собирает соответствующий ионный ток. В резуль­ тате можно построить изменяющийся во времени график кол­ лекторного тока, отражающий соотношение между количествами ионов разных типов в исследуемой пробе газа.

Масс-спектрометр состоит из нескольких функциональных частей — источника ионов, зоны ускорения ионов, анализатора, или зоны разделения, и детекторно-коллекторной системы. Иони­ зацию можно осуществлять путем бомбардировки молекул элек­ тронным пучком. Поддерживая постоянные значения ионизи­ рующего тока и ионизирующего напряжения, а также некоторое стандартное значение давления газа, можно получать одина­ ковые и точно воспроизводимые характеристики ионизации для одинаковых проб газа. Образовавшиеся ионы коллимируются в моноэнергетический пучок и направляются в зону разделения.

Всекторном масс-спектрометре ионы описывают дугу 90°

или 60°, а для источника и коллектора создаются отдельные магнитные поля.

Вмасс-спектрометре с двойной фокусировкой, или циклоидном масс-спектрометре, траектории ионов проходят через две фокаль­ ные точки. Это дает возможность собирать большее число

его в области источника. Иными словами, при прочих равных условиях масс-спектрометр этого типа обеспечивает большие значения ионных токов для данной пробы.

В твердотельном масс-спектрометре используются ионизи­ рующие токи, создаваемые очень высоким напряжением; они выбивают ионы из поверхности твердого тела в виде искр. После того как этим способом осуществлена ионизация, дальнейшие процессы протекают так же, как и в приборах описанных выше типов.

23.8. ОМЕГАТРОН

В соответствии с уравнением (23.1) переменное Напряжение с определенной частотой может заставить ион двигаться по спи­ ральной траектории в плоскости, перпендикулярной направле­ нию внешнего магнитного поля, при этом масса иона, приходя­ щего к коллектору, зависит от частоты напряжения возбужде­ ния. Изменяя эту частоту, можно «просмотреть» спектр масс частиц подобно тому, как было описано в § 23.7. Прибор, в основу которого положен такой принцип, называется омега­ троном (рис. 23.6).

Рис. 23.6. Омегатрон. Ионы, имею­ щие определенную массу и опреде­ ленный заряд, можно заставить двигаться по заданной спиральной траектории, оканчивающейся на

коллекторном электроде:

• — медленный ион: # — быстрый ион

Рис. 23.7. Времяпролетный масс-спек­ трометр. Ионы с одинаковыми электри­ ческими зарядами, но с разными мас­ сами движутся в поле по спиральным траекториям, шаг которых определяет­ ся массой иона. Поскольку *длина их пути зависит от шага спирали, ионы с разными массами попадают на кол­

23.9. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР

Ионы, введенные в магнитное поле, описывают спиральные траектории, как показано на рис. 2.4. Во времяпролетном масс-спектрометре ионы с разными массами движутся по спи­ ральным траекториям с одинаковыми диаметрами и. разными значениями осевого шага. Поэтому для разных ионов характерны разные продолжительности движения по спиральной траектории. Ионы с разными массами, одновременно начинающие движение в одной точке, приходят к мишени, расположенной в другой точке, в разные моменты времени.

В устройстве, показанном на рис. 23.7, предусмотрены сред­ ства для ионизации молекул газа, электрическое поле для уско­ рения образовавшихся ионов и магнитное поле для перевода ионов на спиральные траектории. Здесь электрическое и маг­ нитное поля совпадают по направлению. Если к ускоряющим электродам приложен импульс напряжения, длительность которо­ го меньше, чем время, необходимое ионам для преодоления рас­ стояния между двумя электродами, то ионы всех типов приоб­

выми радиусами. Таким образом, все ионы движутся от точки ионизации к коллекторному электроду по спиральным траекто­ риям с одинаковыми радиусами. Однако вследствие того Что шаг спиральной траектории вдоль ее оси имеет разные значе­ ния для ионов разных типов, длины траекторий и времена дви­

жения от точки ионизации до коллекторного электрода также будут различны. После приложения импульса ускоряющего на­ пряжения ионы разных типов достигают коллекторного электро­ да в разные моменты времени.

В описанном устройстве время пролета ионов обратно пропор­ ционально их отношению заряда к массе.

23.10.ИОНИЗАЦИОННЫЙ МАНОМЕТР ФИЛИПСА

Вионизационном манометре Филипса молекулы газа иони­ зируются при помощи электронного пучка, и результирующий ионный ток используется в качестве меры давления газа. Если заставить ионизирующие электроны двигаться не по прямо­ линейным, а по спиральным траекториям, то число их столк­ новений с молекулами в пространстве между двумя электро­ дами значительно возрастет. В результате при том же самом давлении газа ионный ток будет больше, а это повышает чув­ ствительность манометра.