Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://prac-gw.sinp.msu.ru/images/atom/descriptions%20atom/z3.doc Дата изменения: Mon Oct 11 15:14:12 2004 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:51:23 2012 Кодировка: Windows-1251

Зада?а ? 3




Ионизация атомов и молекул



электронным ударом
























ВВЕДЕНИЕ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ? 2 и ? 3.

Масс-спектроскопия - физи?еский метод коли?ественного и
ка?ественного определения состава вещества по спектру масс его атомов и
молекул.
Масс-спектроскоп - прибор, предназна?енный для анализа массового
спектра вещества. В основе действия всех масс-спектроскопов лежит
разделение (в пространстве или времени) с помощью электри?еских и магнитных
полей заряженных ?астиц (обы?но ионов) с разли?ным удельным зарядом [pic],
сводящее анализ масс к последовательности ряда операций:
а) создание ионного пу?ка;
б) разложение ионного пу?ка на компоненты по зна?ениям [pic];
в) регистрация и измерение интенсивности каждой компоненты
ионного пу?ка.
В соответствии с этим блок-схему любого масс-спектроскопа можно
представить в виде трех узлов:

а) ионного исто?ника, в котором осуществляется ионизация и
формирование ионного пу?ка;

б) анализатора, служащего для разложения ионного пу?ка на
компоненты по удельному заряду [pic];

в) регистрирующего устройства (коллектора), служащего для
регистрации и измерения интенсивности каждой компоненты пу?ка.
Основными характеристиками масс-спектроскопов являются:
а) разрешающая сила R - вели?ина, обратная минимальной
относительной разности масс, при которой две близкие массы [pic] и [pic]
еще регистрируются прибором как разли?ные, т.е.

[pic] ; (1)

б) дисперсия по массам D - вели?ина равная измерению расстояния
между линиями х (или иного параметра, по которому развертывается спектр
масс) при заданной относительной разности масс, т.е.

[pic] ; (2)

в) ?увствительность - минимальное коли?ество ионов, которое еще
может зарегистрировать прибор.
Чувствительность в сильной степени зависит от светосилы прибора,
определяемой как произведение ширины щели исто?ника на вели?ину угла
раскрытия перви?ного ионного пу?ка, все ?астицы которого после прохождения
анализирующего поля попадают на коллектор масс-спектроскопа.
Всю совокупность масс-спектроскопи?еских устройств в соответствии
со способом регистрации ионного пу?ка можно разделить на две группы: масс-
спектрографы и масс-спектрометры.
Представим себе, ?то ионный пу?ок посредством анализатора
разлагается на компоненты по [pic] в некоторой области пространства. При
этом ионы разли?ных масс движутся по разли?ным траекториям. Положение в
пространстве траектории иона с удельным зарядом [pic] зависит от
ускоряющего ионы потенциала U, напряженности магнитного поля Н . Изменяя U
или Н можно изменять положение траектории иона в пространстве. Ина?е
говоря, по одной и той же траектории можно поо?ередно проводить ионы
разли?ных масс. Отсюда следует, ?то измерять массы ионов можно двумя
способами.
Первый способ. Разложив ионный пу?ок на компоненты, можно
одновременно регистрировать ионы каждого сорта во всем пространстве
траекторий. Такая регистрация осуществляется фотографи?ескими методами.
Масс-спектроскопи?еские устройства с таким способом регистрации относятся к
группе масс-спектрографов (масс-спектрографы Томсона, Астона, Демпстера и
др.).
Второй способ. Выбрав постоянную для данного прибора траекторию
ионов, путем изменения соответствующего параметра ионно-опти?еской системы,
поо?ередно выводить на нее каждую компоненту ионного пу?ка и измерять ее
интенсивностью. При этом регистрация интенсивности компонент пу?ка ионов
осуществляется электри?ескими способами. Устройства с электри?ескими
способами регистрации компонент ионного пу?ка называются масс-
спектрометрами.
По принципу действия масс-спектроскопы делятся на стати?еские и
динами?еские. В стати?еских масс-спектроскопах траектории ионов в
постоянных во времени электри?еских и магнитных полях зависят от вели?ины
[pic]. В динами?еских - удельный заряд иона определяется либо по периоду
его колебаний в переменных электри?еских и магнитных полях, либо по периоду
обращения или циклотронным резонансным ?астотам, либо по времени пролета
иона от исто?ника до коллектора.
Каждая из этих групп масс-спектроскопи?еских устройств имеет свою
область применения свои преимущества и недостатки.
Масс-спектрографы позволяют определить массу заряженной ?астицы
с высокой степенью то?ности, т.е. обладают высокой разрешающей способностью
R . Разрешающая способность современных масс-спектрографов достигает [pic].
Однако, методы фотографи?еской регистрации компонент ионного пу?ка о?ень
трудоемки и не позволяют то?но определить концентрацию компонент. Напротив,
масс-спектрометры имеют сравнительно небольшую разрешающую способность
[pic]. Однако, они обладают высокой ?увствительностью. Современные масс-
спектрометры позволяют определить концентрацию примесей до [pic].
В последнее время в связи с развитием импульсной и
высоко?астотной техники группа масс-спектрометров пополнилась динами?ескими
(радио?астотными) масс-спектрометрами: резонансными (фарвитрон), время-
пролетными (хронотрон), циклотронными (омегатрон), имеющими ряд
преимуществ: простота конструкции, компактность и др.
В предлагаемых лабораторных работах изу?ается радио?астотный
спектрометр (омегатрон) и один из способов его использования в физи?еском
эксперименте (изу?ение ионизации атомов и молекул электронным ударом).
Целью настоящей работы является знакомство с принципом действия и
устройством омегатрона, а также проведение анализа легких масс-ионов
газовой смеси.

Принцип действия прибора.

Омегатрон-высоко?астотный масс-спектрометр, представляет собой
миниатюрный циклотрон. Физи?еская идея лежащая в основе работы омегатрона
состоит в создании спиральной раскру?ивающейся траектории заряженной
?астицы в скрещенных однородных постоянном магнитном и переменном
электри?еском полях.
При этом оказывается, ?то ион данной массы (то?нее [pic]) будет
достигать в конце траектории заданной координаты (положения коллектора)
только при определенной ?астоте электри?еского поля. Меняя ее, можно
последовательно приводить ионы разли?ной массы к детектору, т.е.
производить анализ ионов.
Принципиальная схема омегатрона приведена на рис.1.
Узкий электронный пу?ок 3, параллельный направлению магнитного
поля Н проходит от катода 1 ?ерез диафрагму 2 и центральную ?асть
куби?еской камеры омегатрона к коллектору электронов 4. К пластинкам 5,
параллельным направлению магнитного поля Н, прикладывается напряжение
высокой ?астоты. Электронный пу?ок, проходя ?ерез камеру, сталкивается с
атомами или молекулами газа, находящегося обы?но в небольшом коли?естве в
омегатроне и ионизует их. Таким образом, возникающие в электронном пу?ке на
оси прибора ионы газа двигаются во взаимно перпендикулярных однородных
магнитном и высоко?астотном электри?еском полях.
Пусть электри?еское поле [pic] направлено по оси ОХ, а однородное
постоянное магнитное поле Н по оси ОZ.
[pic]

Рис.1. Схема омегатрона: 1-катод; 2-диафрагма; 3-электронный пу?ок; 4-
коллектор электронов(анод); 5 и 6-высоко?астотные электроды; 7-коллектор
ионов; 8-экран вывода коллектора; 9-корпус камеры.

Решая уравнение для иона с удельным зарядом [pic] в предположении, ?то
ион при t=0 (в момент рождения) покоится и находится в на?але координат,
можно убедиться в том, ?то он будет двигаться перпендикулярно магнитному
полю в плоскости XOY (см. Приложение). В том слу?ае, когда ?астота
электри?еского поля близка к циклотронной ?астоте иона,

[pic] т.е. когда [pic] ,

ион будет двигаться приблизительно по спиральной траектории (см.
рис.2) с угловой ?астотой [pic] и радиусом

[pic] (3)

Из (3) видно, ?то вблизи резонанса [pic] радиус траектории иона
периоди?ески меняется с ?астотой [pic]. Амплитуда колебаний радиуса будет
меняться в пределах от [pic] до [pic]. Радиус резонансного иона [pic]
легко определить из выражения (3), перейдя к пределу [pic]

[pic] .

т.е. при резонансе ионы будут ускоряться и двигаться по спиральным
траекториям все увели?ивающихся радиусов (по архимедовым спиралям). Они
будут вести себя аналоги?но тому, ?то наблюдается в циклотроне, где ионы
движутся по круговым орбитам, радиус которых на краях дуантов ска?ком
увели?ивается дважды в те?ение каждого оборота.
Таким образом, если ?астота электри?еского поля [pic] совпадает с
?астотой вращения ионов в магнитном поле (циклотронной ?астотой [pic]),
ионы будут двигаться по спирали, их азимутальный угол [pic] всегда будет
совпадать с фазой высоко?астотного электри?еского поля [pic] (см. рис.2),
т.е. резонансные ионы будут ускоряться, и они будут двигаться по
раскру?ивающейся спирали, пока не попадут на коллектор, расположенный на
некотором расстоянии [pic] от на?ала координат (оси прибора).
Все нерезонансные ионы не накапливают энергию и поэтому будут
двигаться в пределах ограни?енной области около оси прибора, будут
оставаться вблизи оси внутри цилиндри?еской области переменного радиуса r
(см. (3)).
Следовательно, изменяя ?астоту колебаний электри?еского поля
[pic], можно направлять на коллектор ионы разли?ных удельных зарядов. Зная
?астоту колебаний электри?еского поля [pic] заряд иона [pic], легко
определить массу резонансных ионов (ионов, попавших на коллектор).
Действительно, при резонансе ([pic]) для однозарядного иона полу?аем:

[pic], откуда [pic] (4)

[pic]
Рис.2 Вид траекторий ионов в омегатроне:
1-траектория нерезонансных ионов; 2- траектория резонансных ионов;
3-коллектор ионов.

Из (3) видно, ?то помимо резонансных ионов на коллектор могут попадать
ионы, максимальное зна?ение радиуса траектории которых будет больше или
равно расстоянию [pic] до коллектора. Это будет когда
[pic]
Следовательно, при фиксированной ?астоте [pic] будут
регистрироваться ионы в интервале ?астот [pic] электри?еского поля
[pic] (5)

Поэтому разрешающая способность R прибора равна

[pic] (6)

т.е. разрешающая способность омегатрона при про?их равных условиях
уменьшается с увели?ением массы анализируемых ионов. Поэтому прибор
целесообразно использовать для анализа легких масс. Кроме того, разрешающая
способность омегатрона обратно пропорциональна амплитудному зна?ению
напряженности электри?еского поля. Поэтому невыгодно вести измерения при
больших зна?ениях напряженности электри?еского поля.
Напротив, ?увствительность прибора при про?их равных условиях будет
тем больше, ?ем больше [pic]. Таким образом, прибор хорошо будет работать
при некотором оптимальном зна?ении [pic], вели?ины массы анализируемых
ионов, напряженности магнитного поля Н и конструкции прибора [pic].
В омегатроне, используемом в зада?ах 2 и 3, оптимальные зна?ения лежат
в пределах [pic] при [pic]

Прежде ?ем резонансный ион достигнет коллектора, он двигаясь по
спиральной траектории, пройдет расстояние S равное (см. Приложение)

[pic] (7)

и успеет совершить большое ?исло оборотов n около оси прибора, где n
определяется соотношением:

[pic] . (8)

Формула (8) полу?ена в предположении, ?то ион при своем движении
не испытывает соударений с атомами газа в приборе, в противном слу?ае он не
попадет на коллектор.
Это обстоятельство определяет допустимую вели?ину давления газа в
камере прибора. В условиях эксперимента данной зада?и давление газа Р в
омегатроне должно быть [pic] мм.рт.ст. Резонансный ион, двигаясь по спирали
с ускорением, к концу пути (в магнитном поле Н он будет обладать
циклотронным радиусом [pic]) приобретает энергию W , равную

[pic] . (9)



Устройство омегатрона.

Омегатрон представляет собой металли?ескую камеру, заклю?енную в
небольшой стеклянный баллон. Камера является одновременно и исто?ником и
анализатором ионов. Схема омегатрона представлена на Рис. 1. Электронный
пу?ок создается катодом 1, и напряжениями, приложенными к диафрагме 2,
корпусу камеры 9 и коллектору электронов (аноду 4). Фокусируется пу?ок
магнитным полем Н и электронно - опти?еской системой, состоящей из
диафрагмы 2, корпуса камеры 9 и коллектора электронов 4. Пу?ок сфокусирован
на анод 4 тогда, когда одна из осей прибора, проходящая ?ерез отверстия в
корпусе и диафрагме (линия 3) совпадает с направлением силовых линий
магнитного поля. При этом ток в анодной цепи достигает максимальной
вели?ины ([pic] ) , а в цепи корпуса камеры приблизительно равен нулю.

Пу?ок электронов, проходя ?ерез камеру, ионизирует газ в приборе.
На две пластинки 5 и 6, расположенные параллельно оси электронного пу?ка,
подается высоко?астотное напряжение. При?ем на пластинку 6 подается 'земля'
высоко?астотного генератора. При фокусировке прибор расположен в полях так,
?тобы ось электронного пу?ка была [pic] и [pic]. В пластинке 6, находящейся
под потенциалом 'земли', сделано отверстие для приемника ионов,
представляющего собой Т-образную полоску из нихрома. Все металли?еские
детали омегатрона выполнены из тантала толщиной 0,2 мм. В ка?естве катода
используется вольфрамовая спираль, изготовленная из проволоки диаметром 0,1
мм. Расстояние между высоко?астотными пластинками, передней и задней
стенками камеры 2 см. Расстояние между осью электронного пу?ка и приемником
ионов [pic] см. Все электри?еские выводы ?ерез стекло выполнены в виде двух
гребенок. Через одну из гребенок подводятся все постоянные и
высоко?астотные напряжения на электроды лампы, а ?ерез другую - ввод
приемника ионов.


П Р И Л О Ж Е Н И Е


Циклотронный резонанс.

Уравнения движения.
Физи?еское явление, использованное в омегатроне для пространственного
разделения ионов по удельным зарядам, носит название ионного циклотронного
резонанса; пусть однородное электри?еское поле напряженностью [pic]
направлено по оси ОХ, а однородное магнитное поле Н по оси ОZ.
Уравнение движения иона массы М и заряда е:
[pic]

при у?ете , ?то [pic],
в скалярной форме имеет вид
[pic] (П.1)

Решая уравнения (П.1) в предположении, ?то в момент времени t = 0
(момент рождения) ион покоился и находился в на?але координат, полу?им:

[pic] (П.2)

[pic] (П.3)

[pic] ,
(П.4)

где [pic] (П.5)

т.е. из на?альных условий и уравнения движения следует, ?то ион будет
двигаться в плоскости ХОУ.
Определим характер изменения координат иона вблизи резонанса, т.е. при
условии, ?то [pic]
У?итывая обозна?ения (П.5), запишем равенство (П.2) в виде

[pic], (П.6)
а так как по условию [pic] и [pic], то из (П.6) и (П.5) следует, ?то Х-
координата иона вблизи резонанса определяется соотношением:

[pic] (П.7)

Аналоги?ным образом из соотношения (П.3.) полу?им, ?то изменение
У-координаты иона вблизи резонанса будет определяться равенством

[pic] (П.8)
Из соотношений (П.7) и (П.8) следует, ?то в том слу?ае когда
циклотронная ?астота иона [pic] будет близка к ?астоте колебаний
электри?еского поля [pic] расстояние заряженной ?астицы от на?ала координат
будет:

[pic] (П.9)

Таким образом, вблизи резонанса ион будет двигаться по приблизительно
спиральной траектории (см. рис. 3) с угловой ?астотой [pic] (см. уравнения
(П.7), (П.8)). При этом радиус траектории иона периоди?ески меняется с
?астотой [pic]. Из (П.9) следует, ?то вблизи резонанса амплитуда колебаний
радиуса иона захватывает область от [pic] до [pic]. В том слу?ае, когда
?астота изменения электри?еского поля совпадает с циклотронной ?астотой
иона, т.е. при резонансе [pic], как это следует из (П.9), траекторией
движения иона будет спираль Архимеда. Действительно, пределом соотношения
(П.9) при [pic] будет

[pic] , (П.10)
т.е. в омегатроне резонансные ионы, двигаясь по раскру?ивающейся спирали,
будут ускоряться, непрерывно полу?ать приращение энергии, а нерезонансные
ионы будут двигаться по некоторой скру?ивающейся-раскру?ивающейся кривой в
пределах ограни?енной области около оси прибора, не полу?ая энергии от
электри?еского поля (в среднем).
Если на расстоянии [pic] от оси прибора поместить приемник, то
резонансные ионы, двигаясь по раскру?ивающейся спирали, попадут на него.
Определим путь, который проходят резонансные ионы, прежде ?ем они
попадут на коллектор. Расстояние резонансного иона от оси прибора с
те?ением времени изменяется по закону (П.10). За время dt ион проходит
путь [pic][pic] (см. Рис.1) , равный


[pic] (П.11)


Определим [pic]. Для этого приведем (П.10) к виду

[pic], где [pic] .

Отсюда

[pic] (П.12)

Подставляя (П.12) в (П.11) , полу?им


[pic] (П.13)

Интегрируя (П.13) в пределах от 0 до [pic] определим путь L иона:
[pic] (П.14)
Для омегатрона w ~ 10 6-10 7 сек - 1; H ~ 3.5 10 3 Э ; E ~ 1 В/см ;

Следовательно : [pic]
Поэтому

[pic] (П.15)

Легко подс?итать ?исло оборотов n, которые совершит резонансный ион до
того, как он попадет на коллектор:

[pic] (П.16)
[pic]
Рис.3.

Максимальная вели?ина се?ения ионизации

некоторых атомов и молекул
электронным ударом


[pic]-энергия ионизации;
[pic]-максимальная вели?ина се?ения ионизации.



| Атом |Ион |[pic] |[pic] |
|(молекула) | | | |
|H |[pic] |13,6 |1,3 |
|[pic] |[pic] |15,6 |1,01 |
|[pic] |[pic] |15,7 |2,87 |
|N |[pic] |14,5 |2,6 |
|[pic] |[pic] |12,5 |2,91 |
|NO | [pic] |9,5 |3,25 |
|CO | [pic] |14,1 |3,07 |
|He | [pic] |24,6 |0,35 |
| | |75,0 |0,0015 |
|Ne | [pic] |21,6 |0,78 |
| | |63,0 |0,45 |
|Hg | [pic] |10,4 |5,85 |
| | |30,0 |0,9 |
| | |71,0 |0,02 |




















Лабораторная работа ? 3

Ионизация атомов и молекул электронным ударом.

Введение

Столкновения электронов с атомами и молекулами могут
сопровождаться, если позволяет энергия, целым рядом неупругих процессов,
таких как возбуждение электронных, колебательных, вращательных степеней
свободы, ионизация и диссоциация. Эффективность этих процессов при
неизменной скорости электронов разная и характеризуется эффективным
се?ением или проще - се?ением рассеяния [pic], представляющим вероятность
данного процесса, выраженную в единицах площади. Се?ение приближенно можно
представить себе как площадку ('попере?ное се?ение'), описанную около атома
или молекулы, попадая в которую электрон обязательно произведет неупругое
столкновение того или иного типа. Вели?ина этой площадки, а, следовательно,
эффективность реакции зависит от типа реакции, внутренних свойств ?астицы
мишени и относительной скорости столкновения. Как правило, се?ение любого
неупругого процесса как функции скорости (или энергии относительного
движения) представляет собой кривую с максимумом, на?ало которой
определяется пороговой энергией (см. рис.6) данного неупругого процесса
(вместо термина 'неупругий процесс' ?асто употребляется термин 'реакция').
Мы будем изу?ать ионизацию атомов и молекул электронным ударом.
Обы?но зна?ение се?ения ионизации [pic] в максимуме по порядку
вели?ины составляет [pic].

[pic]
Рис.6.Зависимость се?ения ионизации от энергии электронов.
Рас?ет се?ения ионизации представляет сложную квантово-
механи?ескую зада?у. Решение ее возможно и в рамках класси?еского подхода,
однако, результат в этом слу?ае может претендовать лишь на ка?ественное
описание явления.
Мы остановимся на наиболее простой класси?еской модели описания
акта ионизации атома электроном ,предложенной в 1912 году Дж. Томсоном.
[pic]
Прежде всего Томсон отказался от у?ета движения атомного
электрона. Полагая, ?то электрон покоится, он в то же время связал его с
ядром, как обы?но в атоме, энергией связи равной потенциалу ионизации
[pic].
Заметим сразу, ?то приближение покоящегося электрона справедливо лишь
при условии, ?то энергия падающего электрона много больше энергии связи
[pic], или более то?но - скорость падающего электрона много больше скорости
атомного электрона
На следующем этапе Томсон опустил из рассмотрения ядро, полагая, ?то
падающий электрон упруго рассеивается на покоящемся электроне, который
может быть сдвинут с места лишь при [pic], (а не при E > 0 , как при
упругом рассеянии на свободном электроне). Теперь, рассматривая упругое
рассеяние двух заряженных ?астиц (электронов), необходимо было определить
эффективность переда?и энергии падающей ?астицы покоящейся. Если
представляет интерес эффективность переда?и доли энергии от [pic] до [pic],
то эту зада?у решает дифференциальное се?ение (не полное). Дифференциальное
се?ение представляет собой долю полного се?ения, характеризующего тот или
иной процесс рассеяния в малой области изменения переменных, от которых оно
(дифференциальное се?ение) зависит. Например, ?исло рассеянных в единицу
времени ?астиц зависит от угла рассеяния [pic]. Можно ввести
дифференциальное (по углу рассеяния [pic]) се?ение [pic], которое будет
описывать эффективность процесса рассеяния в области углов от [pic] до
[pic]. Именно такую вели?ину изу?ают в зада?е 'Опыт Резерфорда'. Можно
ввести дифференциальное (по переданной энергии Е) се?ение [pic] и тогда
оно, как говорилось выше, будет описывать эффективность процесса переда?и
энергии в малую энергети?ескую область от e до e + e. Вы?исление этой
вели?ины приводит (см.[1], формула Резерфорда, а также [2], гл.1) к формуле

[pic] (1)

Теперь, ?тобы полу?ить полное се?ение ионизации следует лишь
проинтегрировать (1) в пределах от минимально возможной до максимально
возможной переданной энергии, т.е. от [pic] до [pic].

[pic] . (2)

Здесь Ry (?итается 'Ридберг') вели?ина, равная потенциалу ионизации
атома водорода

[pic]

и [pic] -радиус первой орбиты атома водорода, называемый 'боровским'
радиусом

[pic]

(по вопросу 'атом Бора' см.[3]). Интересно отметить, ?то несмотря на
весьма грубую модель, полу?енная формула (2) правильно отражает
ка?ественные закономерности.

Кривая имеет порог (при [pic]) , максимум и с ростом спадает как 1 /
E [1] . Удобно вместо [pic] ввести пороговые единицы энергии [pic], тогда
формулу (2) можно переписать в виде:

[pic] (3)

Зна?ение се?ения в максимуме всегда представляет особый интерес, так
как является одной из характерных вели?ин для данного типа реакций. Из
формулы (3) следует, ?то максимум лежит при [pic] т.е. при двух пороговых
зна?ениях энергии, и вели?ина се?ения в этой то?ке равна ( см. Рис. 6)

[pic] (4)

Так для атома водорода [pic] и simax(H) = pao2 ~ 9*10-17 см 2;
для гелия [pic] simax(He) = 0.3*pao2 ~ 3*10-17 см 2. Поскольку формула
Томсона неприменима при малых энергиях, в том ?исле и в области максимума,
то полу?енные результаты не могут являться оценкой ка?ества принятой
модели. Тем не менее проведем сравнение с экспериментально полу?енными
результатами -
максимум се?ения ионизации атома водорода находится при [pic] и равен [pic]
а для атома гелия при c = 5 и равен simax(He) = 2*10-17 см 2 .
Таким образом, разли?ия между экспериментальными и томсоновскими
зна?ениями касаются в основном положения максимума, а не его вели?ины. Из
проведенного сравнения можно сделать вывод, ?то формула Томсона может
служить для грубых оценок. Ее простой аналити?еский вид о?ень удобен для
использования [pic] в рас?етах. Часто используют разли?ные эмпири?еские
модификации этой формулы.
Как уже указывалось выше, в настоящей работе для определения
[pic] служит омегатрон.
[pic]
Рис. 7. Схема соединения электродов омегатрона со штырьками и типовой
режим работы лампы: 1-подкатодная диафрагма;
2, 5-высоко?астотная пластина; 3, 9-катод; 4-камера (анализатор
ионов); 6-коллектор электронов; 8-Земля; К-коллектор ионов.

Напряжение на катоде, В минус
100[pic]5
Напряжение на улавливающих пластинах, В 0-1,5
Напряжение на подкатодной диафрагме, В 10[pic]0,5
Напряжение на коллекторе электронов, В 100[pic]10
Ток на коллекторе электронов, [pic] ~10
Все напряжения указаны относительно Земли.


Схема вклю?ения омегатрона.
На Рис. 8 представлена электри?еская схема вклю?ения омегатрона
на Рис. 9 - общий вид установки.


[pic]

Рис. 8. Электри?еская схема вклю?ения омегaтрона.

Омегатронная лампа помещается между полюсами постоянного магнита
М (или электромагнита). Электромагнит питается исто?ником постоянного тока
напряжением в 110 В.

[pic]

Рис. 9. Общий вид установки: 1-электрометри?еский усилитель
измерения ионного тока; 2-?астотомер (измерение ?астоты генератора); 3-
УНИП1-5-блок питания; 4-блок питания накала лампы ТЭС; 5-микроамперметры
для установления режима лампы (N1, N2, N3); 6-амперметр для измерения
накала лампы; 7-блок питания Б13-3 (-100 В и +100 В); 8-цифровой
вольтметр; 9-генератор ?астоты Г3-111; 10-ру?ка регулировки
выходного напряжения генератора ; 11-прибор для установки смещения на
корпус омегатрона; 12-кнопка вклю?ения магнита; 13-электромагнит; 14-
амперметр для измерения тока магнита.

Амперметр магнита [pic], как и все измерительные приборы вмонтирован в
измерительный щиток установки. Кнопка вклю?ения магнита [pic] расположена
на торцевой панели установки. Вели?ина магнитного поля указана в паспорте
установки.
Вклю?ение цепи накала омегатронной лампы осуществляется тумблером
[pic], который как и все остальные тумблеры ([pic]) расположен на
специальной панели на измерительном щитке. Цепь накала омегатрона питается
стабилизированным выпрямителем типа ТЭС. Вели?ина тока накала указывается в
паспорте установки. Необходимые для нормальной работы прибора напряжения на
катод, на диафрагму, на анод и смещение на корпус подаются со
стабилизированных блоков питания Б3-3 (или Б5-50, Б5-49) и УНИП. (См.
электри?ескую схему на конкретной установке). Контроль за режимом прибора
осуществляется по показаниям микроамперметров расположенных на щитке
установки Оптимальные зна?ения токов указаны в паспорте установки.
На пластины 2 и 8 подается высоко?астотное регулируемое
напряжение с генератора ГЗ-111, которое может меняться от 1 В до 15 В.
Ру?ка регулировки этого напряжения расположена на передней панели ГЗ-111.
Для определения ?астоты подаваемого напряжения используется цифровой
?астотомер.
Изменение энергии электронного пу?ка осуществляется изменением
выходного напряжения исто?ника 11 блока питания Б3-3, подаваемого на
диафрагму. Вели?ина этого напряжения контролируется цифровым вольтметром В7-
38.




Порядок выполнения работы.

После вклю?ения всех цепей установки (за исклю?ением
высоко?астотной) следует убедиться, ?то ток накала лампы [pic] Затем при
помощи потенциометра (10 кОм) 'смещение на корпус' устанавливают смещение
на корпус камеры 1 В и проверяют показания микроамперметров ? 1-3. Для
отъюстированного прибора зна?ения токов в анодной цепи [pic] ([pic]), в
цепи диафрагмы [pic] 40-80 [pic] в цепи корпуса [pic] Если прибор не
отъюстирован, то при помощи винтов держателя омегатронной лампы плавно
меняют ее расположение в магнитном поле до тех пор пока не добьются
оптимальных показаний микроамперметров ? 1-3 (при этом ось [pic] будет
параллельна Н (рис2)). Убедившись, ?то прибор отъюстирован, вклю?ают
высоко?астотную цепь (генератор ГЗ-111), при?ем оптимальную вели?ину [pic]
устанавливают с помощью ру?ки плавной регулировки выходного напряжения
генератора. Затем, меняя ?астоту генератора в пределах 20 кГц - 12 мГц,
определяют зависимость вели?ины ионного тока [pic] от ?астоты [pic]
(вели?ину ионного тока измеряют электрометри?еским усилителем У5-6) и
строят график [pic] (рис. 10).
В основу работы электрометри?еского усилителя положен принцип
измерения слабых токов по вели?ине падения напряжения на известном
сопротивлении ('входное сопротивление' на передней панели прибора).
Исходный ток определяется как [pic].
В окрестности пиков [pic] отс?еты должны быть выполнены зна?ительно
?аще с тем, ?тобы профиль линии иона был надежно определен. Амплитуды пиков
ионного тока могут разли?аться на два и более порядков, поэтому при
исследовании зависимости [pic] необходимо следить за соответствием шкалы
вольтметра электрометри?еского усилителя У5-6 вели?ине измеряемого сигнала
(своевременно переклю?ать шкалы вольтметра У5-6).

[pic]
Рис. 10. График зависимости ионного тока от ?астоты.

Измерение се?ения ионизации.

Выше уже отме?алось, ?то в данной работе омегатрон используется
для изу?ения се?ения ионизации атомов и молекул электронами Изменяя
напряжение на подкатодной диафрагме полу?аем возможность регулировать
энергию электронного пу?ка Электроны, пройдя ускоряющее поле, попадают в
камеру столкновений и, двигаясь по ее оси, производят ионизацию атомов и
молекул газа, при этом ?исло возникающих в единицу времени ионов данного
сорта можно определить из достато?но о?евидного соотношения

[pic] , (5)

где [pic] -ионный ток (ионы k-ого сорта); [pic] - электронный ток (ток в
анодной цепи 1); [pic] - концентрация атомов k-ого сорта; [pic] - се?ение
ионизации атомов k -ого сорта; L - длина камеры столкновений (вдоль
электронного пу?ка). Таким образом, се?ение ионизации

[pic] (6)

Измеряя зависимость [pic] от напряжения на подкатодной диафрагме
[pic], зная [pic] и L. определим зависимость се?ения ионизации от энергии
электронов. [pic] определяется по известным зна?ениям парциальных давлений
[pic] для разли?ных сортов ионов , приведенных в таблице паспорта
установки.
Необходимо иметь в виду, ?то омегатрон разделяет ионы по
отношению [pic], поэтому два разных по природе иона, но с одинаковым
удельным зарядом будут неотли?имы. Одинаковый удельный заряд [pic] могут
иметь, с одной стороны, ионы одинаковые или близкие по массе и с
одинаковыми Z (это наиболее характерно для молекул), с другой стороны,
ионы разной массы, но с такой кратностью Z, которая приводит к одинаковому
удельному заряду. Последние, как правило, не вносят большой
неопределенности, поскольку се?ения 2-х, 3-х и т.д. кратной ионизации
зна?ительно меньше се?ения однократной ионизации и ток таких ионов на
коллектор незна?ителен. В слу?ае, когда разли?ные однозарядные ионы
обладают одинаковой или близкой (в пределах разрешающей способности
прибора) массой, их вклады в ионный ток становится сравнимыми. В этом
слу?ае кривая зависимости [pic] является суммарной кривой этих ионов.
Поскольку потенциалы ионизации атомов разли?ных элементов отли?аются, то на
кривой [pic] могут проявиться признаки наложения соответствующего ?исла
кривых, сдвинутых друг относительно друга по порогу ионизации. Для того,
?тобы снять зависимость ионного тока [pic] от энергии электронного пу?ка,
необходимо настроить установку на максимум пика исследуемого иона,
установив оптимальное выходное напряжение генератора.
Для измерения ускоряющего напряжения [pic] между диафрагмой и катодом
используется цифровой вольтметр В7-38. Ру?ки 1, 2, 3 блока питания Б3-3
(исто?ник 11) изменяют ускоряющее напряжение от 0 до 150 В, при этом ру?ка
3 позволяет плавно изменять напряжение в пределах 1-3 В. При снятии
характеристики [pic] важно наиболее то?но определить порог, т. е. те
зна?ения [pic], при которых только появляется ток [pic], а также зна?ения
тока [pic] в области близкой к порогу. Поэтому при измерениях в пороговой
области целесообразно работать на наиболее ?увствительной по напряжению
шкале электрометри?еского усилителя (Рис. 10).
Сна?ала снимается зависимость [pic] в большом диапазоне на грубой
шкале электрометри?еского усилителя У5-7 (У5-6 ), так, ?тобы вся
зависимость уложилась в пределах одного диапазона измерений. Далее для
более то?ного определения порогового напряжения [pic] снимается зависимость
[pic] вблизи этого напряжения на более ?увствительной шкале вольтметра
электрометри?еского усилителя. Чтобы полу?ить зна?ение тока, необходимо
перес?итать показания вольтметра, используя соответствующие зна?ения
входных сопротивлений прибора, указанных на передней панели. Микроамперметр
? 3 на приборной панели дает зна?ение электронного тока [pic] в [pic].
Измерение ?астоты генератора проводится ?астотомером, регистрирующим
?астоту в кГц.

Задание.

1.Отъюстировать прибор.
2.Снять зависимость [pic] (см.рис.10).
3.Определить массы и отождествить ионы остато?ного газа
в омегатронной лампе.
4.Для двух-трех наиболее интенсивных пиков, для которых массы
отождествлены, снять зависимость ионного тока [pic] от напряжения [pic].
5.Для исследуемых веществ, используя формулу (6), расс?итать
зна?ения [pic] как функции энергии электронов (в эВ) и построить график.
Парциальные давления исследуемых газов приведены в паспорте зада?и. Для
всех ламп L=2см.
6.Установить из графиков [pic] потенциалы ионизации.
7.Построить в пороговых единицах графики экспериментальных
зна?ений се?ений и сравнить их с томсоновским се?ением.


Л И Т Е Р А Т У Р А


1.Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика-М.: 1952,  19 .
Формула Резерфорда

2. Квливидзе В.А., Красильников С.С. Введение в физику атомных
столкновений.-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 ионизованных
газах. Мир 1967, гл 5.













-----------------------
[1] Квантовая механика описывает поведение се?ения в области
больших [pic] функцией [pic]