Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

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.