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:
/?= то/(е//), |
(23.1) |
где т — масса; о — скорость; е — электрический заряд |
части |
цы; Н — напряженность магнитного поля. |
|
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-
Рис. 23.1. Циклотрон. Для уско рения заряженных частиц ис пользуется переменное напряже ние с частотой, равной частоте обращения частиц по орбиталь ной траектории
щения частица получает некоторое постоянное приращение скорости. Каждое такое приращение скорости, в свою очередь, вы зывает приращение магнетронного радиуса, в результате чего частица движется по траектории в форме «ступенчатой спирали» от центра циклотрона к его периферии. Частица начинает дви жение в центре устройства со скоростью, близкой к нулю, но у наружного края устройства ее скорость достигает очень боль шого значения.
Циклотрон работает на постоянной частоте с частицами, имеющими постоянную массу. Однако масса частиц изменяется, когда их скорость приближается к скорости света. Ускоряющее устройство, изменяющее свою частоту для компенсации указан ных изменений массы частиц, называется синхротроном.
23.4. МАГНИТОМЕТР С РАСЩЕПЛЕННЫМ АНОДОМ
Магнитное поле отклоняет проходящий через него электрон ный пучок, и тем сильнее, чем больше напряженность поля. Если электроны движутся с постоянной скоростью, определяе мой постоянным ускоряющим напряжением, то отклонение пучка может служить довольно чувствительным показателем напря-
Магнитное
пале
Рис. 23.2. Магнитометр с расщепленным анодом. Смещение электронного пучка под влиянием сил Лоренца или каких-либо иных сил можно определять по изменению распределения токов между двумя частями расщепленного анода
женности магнитного поля; на этом основана конструкция магни тометра с расщепленным анодом,, показанная на рис. 23.2.
Представим себе прямоугольную систему координат и рас смотрим электронный пучок, направленный от катода к аноду вдоль оси X. Пусть анод разделен на две части, причем эти части расположены таким образом, что ток, переносимый элек тронным пучком, распределяется между ними поровну. Такое равномерное распределение остается неизменным при любых от клонениях пучка в направлении оси 2. Но наличие магнитного поля, направленного по оси 2, заставляет пучок отклоняться
внаправлении оси У, при этом равенство токов двух частей анода нарушается. Отношение этих токов можно прокалибровать
взначениях напряженности отклоняющего магнитного поля, направленного по оси 2. И наоборот, если в приборе поддержи вается постоянное магнитное поле, то его можно использовать для измерения электрического напряжения, ускоряющего элек троны.
23.5. МАГНЕТРОН
Магнетрон представляет собой диод, в котором электроны, движущиеся от катода, расположенного в центре прибора, к ано ду, находящемуся на его периферии, могут достигать или не достигать анода в зависимости от того, насколько их траекторию отклоняет магнитное поле.
На рис. 23.3 показана система с катодом из прямолинейной проволоки в центре и анодом в форме цилиндрической втулки на периферии. Общая ось катода и анода совпадает по направ лению с магнитным полем. Если магнитное поле в таком прибо ре отсутствует, то электроны движутся непосредственно от подо гретого катода к цилиндрическому аноду. При наличии магнит ного поля электроны описывают изогнутые траектории в соот ветствии с уравнением (23.1). При некотором критическом зна чении напряженности поля кривизна траекторий становится такой, что электроны не попадают на анод и возвращаются к
Рис. 23.3. Магнетрон. В результате того, что электроны на круговых траек ториях создает поле Ленца, радиус траектории, на которой электрон лишь касается анода, является неустойчи вым. Поэтому в области значений параметров, соответствующих усло виям касания траектории носителя и анода, возникают высокочастотные колебания:
• — электрон
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
щее на ток, и ток через диод возобновляется. |
Но как только |
вновь начинает течь анодный ток, уменьшается |
напряженность |
поля Ленца, и опять происходит отсечка тока |
под влиянием |
приложенного поля. |
|
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-