Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес оригинального документа : http://prac-gw.sinp.msu.ru/images/atom/descriptions%20atom/z2.doc Дата изменения: Fri Sep 24 17:34:40 2004 Дата индексирования: Mon Oct 1 19:51:12 2012 Кодировка: Windows-1251

Зада?а ? 2




Омегатрон




























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) | | | |
|1 |2 |3 |4 |
|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 ? 2




Омегатрон


Целью настоящей зада?и является детальное ознакомление с работой
омегатрона и анализ ионов легких масс в составе остато?ного газа в лампе.
С этой целью в данной работе используется установка 'Измеритель
парциальных давлений ИПДО-12', дат?иком которого служит омегатронная лампа
типа РМО-14С.
ИПДО-12 состоит из следующих функциональных блоков:
измерительный блок, выносной блок, электронный самодвижущий потенциометр,
электромагнит, омегатронная лампа.
В состав измерительного блока входят:
1.Электрометри?еский усилитель постоянного тока УЭ-12б, служащий для
усиления и измерения ионных токов дат?ика. Диапазон измеряемых токов от
[pic] до [pic] А.
2.Генератор высокой ?астоты Г-12 (25 кГц-6,2 мГц), служащий для
создания переменного электри?еского поля и имеющий устройство для
автомати?еской развертки по ?астоте. Генератор имеет непрерывный диапозон
?астот от 25 до 515 кГц, а также ?астоты 1,5; 2; 3 и 16 мГц. Выходное
напряжение генератора регулируется не менее, ?ем от 0,2 до 2 В на ?астотах
25-515 кГц и от 0,4 до 4 В на ?астотах 1,5; 2; 3 и 16 мГц. Напряжение на
выходе генератора контролируется вольтметром.
3.Блок питания дат?ика ( БП-12 ), вклю?ающий в себя схему стабилизации
тока коллектора электронов (тока лу?а) и питания генератора.
Название и назна?ение всех приборов, переклю?ателей и ру?ек,
имеющихся на передней панели измерительного блока подробно приведено в
описании.
От блока питания к дат?ику (омегатрону) поступают следующие
стабилизированные напряжения постоянного тока (относительно корпуса
прибора):
[pic] В к катоду,
[pic] В к диафрагме,
от +50 до 100 В к коллектору электронов,
от 0 до +1,5 В к улавливающим пластинам (анализатор ионов).

[pic]

Рис.4. Блок схема установки:
1 - индикатор И-2; 2 - усилитель электрометри?еский УЭ-2; 3 - блок
питания БП-2; 4 - генератор Г-2; 5 - дат?ик РМО-4С; 6 - выносной блок
(предусилитель); 7 - самописец КСП-4.


[pic]

Рис.5. Общий вид передней панели измерительного блока:
1-экран индикатора И-2; 2-тумблер вклю?ения индикатора; 3-
измерительный прибор (амперметр); 4-вклю?ениеУЭ-2; 5-шкала и переклю?атель
пределов измерения УЭ-2; 6-прибор контроля за режимом работы дат?ика; 7-
прибор контроля тока лу?а дат?ика; 8-вклю?ение измерительного блока
(тумблер 'Сеть'); 9-вклю?ение катода дат?ика; 10-вольтметр для измерения
напряжения ВЧ; 11-ру?ка изменения ?астоты генератора Г-2 и шкала ?астот
(МHz); 12-'Пуск' и 'Стоп' автомати?еской развертки ?астоты.

Накал дат?ика осуществляется постоянным током (напряжение 1,3 В).

4.Блок осциллографи?еского индикатора И2, который позволяет наблюдать
спектр масс на экране ЭЛТ. На передней панели измерительного блока ИПДО-2
расположены следующие ру?ки и тумблеры (рис.5.): блок питания БП-2:
-тумблер 'Сеть'-для вклю?ения и выклю?ения прибора;
-тумблер 'Катод'-для вклю?ения и выклю?ения тока, питающего катод
дат?ика;
-ру?ка 'Ток лу?а'-для плавной регулировки ионизирующего тока в цепи
коллектора электронов;
-ру?ка 'Напряжение улавливающих пластин'-для плавной регулировки
напряжения на улавливающих пластинах;
-тумблер 'Ток диафрагмы'-'Напряжение улавливающих пластин' - для
переклю?ения стрело?ного прибора;
-тумблер [pic] - для переклю?ения пределов измерения стрело?ного
прибора;
-кнопка 'Ток улавливающих пластин' (нажать) - для измерения стрело?ным
прибором тока улавливающих пластин;
блок генератора Г-2:
-ру?ка 'Напряжение в.?.-для плавной регулировки напряжения высокой
?астоты на дат?ике;
-ру?ка 'Частота' - для плавной регулировки ?астоты генератора;
-ру?ка 'Установка нулевых биений' - для установки нулевых биений
генератора. При этом шкала ?астот должна быть установлена на нулевую
отметку;
-ру?ка 'Время развертки' - для переклю?ения длительности
автомати?еской развертки генератора;
-тумблер 'Полоса обзора' - для переклю?ения полосы обзора при
автомати?еской развертке ?астоты генератора; в положении '100%'
производится развертка всей шкалы генератора; в положении '20%'
производится развертка 20% шкалы генератора от любой установленной ?астоты;

-кнопки 'Пуск' и 'Стоп' - для вклю?ения и остановки автомати?еской
развертки;
-тумблер [pic] - для переклю?ения пределов измерения вольтметра;
блок электрометри?еского усилителя УЭ-2:
-ру?ка 'Выкл-Сеть-Измерение' - для вклю?ения электрометри?еского
усилителя;
-ру?ка 'Пределы измерения, амперы' - для переклю?ения пределов
измерения тока;
-ру?ка 'Установка нуля' - для плавной установки нулевого уровня на
выходе усилителя;
-тумблер 'Постоянная времени - Меньше - Больше' - для переклю?ения
постоянной времени усилителя. Положение 'Больше' используется только при
регистрации спектра на ленте электронного потенциометра на шкалах [pic] и
[pic] ;
блок индикатора И-2;
-ру?ка 'Яркость'- для установки необходимой яркости лу?а;
-ру?ка 'Смещение Х' - для управления лу?ом по горизонтали;
-ру?ка 'Смещение У' - для управления лу?ом по вертикали;
-ру?ка 'Освещение шкалы' - для регулировки яркости лампо?ек освещения
шкалы;
-ру?ка 'Усиление У' - для плавной регулировки ?увствительности
усилителя вертикального отклонения;
-тумблер 'Вкл.' - для вклю?ения блока.

Подготовка к измерениям.

1.Тумблеры 'Сеть' (блок питания) и 'Вкл.' (индикатор) поставить в
нижнее положение, ру?ку 'Выкл.-Сеть вкл.-Измерение' поставить в положение
'Выкл.'
2.Тумблер 'Катод' поставить в нижнее положение, ру?ку 'Ток лу?а'
- в крайнее левое положение, тумблер [pic] - в положение [pic]. Тумблер
'Полоса обзора' в положение '20', ру?ку 'Напряжение в. ?. - в среднее
положение.
3.Переклю?атель 'Пределы измерения' поставить в крайнее
положение[pic].
4.Ру?ку 'Яркость' поставить в крайнее левое положение, ру?ку
'Смещение У' - среднее положение.
Положение ру?ек, не названных выше, может быть любым.
5.Вклю?ить тумблер 'Сеть' (БП-2), вклю?ить индикатор И-2 тумлером
'Вкл.'. Вклю?ить электрометри?еский усилитель, установив вна?але
переклю?атель в положение 'Сеть вкл.', а ?ерез несколько минут в положение
'Измерение'.
6.Дать прибору прогреться 30 мин.
7.Вклю?ить самопишущий потенциометр тумблером 'Прибор'. Время
прогрева прибора не менее 5 минут.
8.Провести предварительную регулировку генератора: тумблер
'Полоса обзора' установить в положение '20', тумблер вольтметра в положение
'2,5 В', ру?кой '?астота' установить шкалу на нулевую отметку, плавным
вращением ру?ки 'Установка нулевых биений' добиться нулевых биений.
Контроль нулевых биений осуществлять по показаниям вольтметра генератора
(при нали?ии нулевых биений показания вольтметра резко падают до нуля),
тумблер 'Полоса обзора' переклю?ить в положение '100'.


ВНИМАНИЕ!! При переходе с диапазона 20 на 100 необходимо
предварительно установить шкалу генератора ру?кой 'Частота' на нулевую
отметку.


9.Ру?ку 'Яркость' повернуть вправо до появления в левом нижнем
углу экрана светящейся то?ки (лу?а) небольшой яркости.
10.Ру?ками 'Смещение Х' и 'Смещение У' поставить лу? на нулевую
отметку масштабной сетки индикатора.
11.Ру?кой 'Установка нуля' установить нулевой уровень на
выходе электрометри?еского усилителя на пределе [pic] и вновь
установить более грубую шкалу.
12.Установить напряжение улавливающих пластин 0,4 В.
13.Прибор готов к работе и можно приступить к проведению записи
спектра, необходимых наблюдений и измерений.


Проведение измерений.

1.Вклю?ить электромагнит (вклю?ение осуществляет дежурный
персонал).
2.Вклю?ить тумблер 'Катод'. Медленно вращать ру?ку 'Ток лу?а' до
появления тока лу?а в 2 [pic] (ток диафрагмы при этом не должен превышать
80 [pic] и ?ем он меньше, тем лу?ше).
Для настройки на пики ионных токов вру?ную следует установить
переклю?атель 'Постоянная времени' в положение 'Больше' и ввести
высоко?астотное поле 1,0 В на ?астоте 100 кГц. Предел измерения
электрометри?еского усилителя должен быть выбран в соответствии с
амплитудами пиков в спектре масс (как правило, в нашем слу?ае используются
пределы [pic]).
3.Вна?але целесообразно наблюдать полный спектр масс на экране
индикатора. Это позволяет достато?но быстро полу?ить представление о
ка?ественной картине состава газов.
Лу? на экране индикатора перемещается по горизонтали синхронно с
изменением ?астоты генератора.
Для наблюдения спектра масс на экране индикатора необходимо
установить переклю?атель. 'Пределы измерения' в одно из положений [pic],
ввести в.?. поле 1,0 В на ?астоте 100 кГц, ру?кой 'Частота' установить
?астоту генератора на нуль, ру?ку 'Время развертки' поставить в положение
'16', тумблер 'Полоса обзора' - в положение '100' и нажать кнопку 'Пуск'
автомати?еской развертки ?астоты. При необходимости остановки
автомати?еской развертки ?астоты следует нажать кнопку 'Стоп'.
4.Записать спектр, вклю?ив лентопротяжный механизм самописца
тумблером 'Диаграмма'. Ру?ку 'Время развертки S' (Г2) перед записью
спектра поставить в положение '1000'.


Задание.

1.Провести подготовку к измерениям согласно настоящему описанию.
2.Выполнить операции, указанные в разделе 'Проведение измерений'.

3.Пронаблюдать ка?ественную картину спектра масс на экране
осциллографа.
4.Записать спектр масс остато?ных газов (т.е. снять зависимость
[pic]) с помощью самописца. Использовать пределы измерения: [pic] или
[pic] . В слу?ае необходимости можно записать интересующий у?асток спектра,
используя более ?увствительный предел электрометри?еского усилителя
( [pic] A).
5.Для одного из пиков (средней интенсивности) исследовать
зависимость профиля линии от вели?ины [pic], для ?его записать этот пик при
разли?ных амплитудах напряженности электри?еского поля. При необходимости
скорость протяжки диаграммной ленты можно изменить.
6.Определить массы и отождествить ионы остато?ного газа в
омегатронной лампе.
7.Для каждого сорта ионов расс?итать ?исло оборотов n,
разрешающую способность R, длину пути S, энергию W.
Рас?еты представить в виде таблицы.
Например, (при r=0,8 см.):

| | | |Масс. | Сорт | R | n | | |
|n , |Н, |Eo, |?исло |ионов | | |S, |W, |
|кГц |Эрст |В/см | | | | |см |эВ |
| |3400 | | | |443 |282 | | |
|5200 | |1 |1 |H + | | |708 |353 |
| |3400 | | | | 32 | 20 | 51 | 25 |
|374 | |1 |14 |N + | | | | |
| |3400 | | | | 16 | 10 | 25 | 13 |
|186 | |1 |28 |CO + | | | | |
| | | | | | | | | |
| | | | |N 2+ | | | | |

8.При помощи графика [pic] оценить процентный состав газа в лампе
и разрешающую силу для разли?ных ионов.
Вели?ина максимального (в пике) ионного тока [pic] на коллектор
при про?их равных условиях пропорциональна концентрации [pic] и [pic]
-се?ению ионизации атомов (молекул) данного 'k' - сорта прямым электронным
ударом, т.е. [pic] Следовательно, [pic] (см.[5] стр.9-11, 34-39).
Се?ения ионизации для атомов (молекул) разли?ных газов приведены во
Введении.
То обстоятельство, ?то вели?ина ионного тока [pic] на коллектор
пропорциональна концентрации атомов [pic] , делает возможным использовать
омегатрон в ка?естве дат?ика давлений (Р ~ N ~[pic], ?то особенно важно при
малых давлениях ([pic] мм.рт.ст.)). В этом ка?естве используется омегатрон
в приборах ИПДО-1 и ИПДО-2.



Л И Т Е Р А Т У Р А

1.Шпольский Э.В. Атомная физика.-М.: Наука,1974,т.1, гл.11
2.Рик Г.Р. Масс-спектроскопия.-М.:ГИТТЛ,1953.
3.Современная вакуумная техника (сборник статей)-М.:ИЛ., 1963, с.190-
199.
4.Леонтьев Н.И. Удов?енко Ю.Н.-ПТЭ,1959, ? 1, с.101.
5.Месси Г. Бархоп Е. Электронные и ионные столкновения. - М.: ИЛ.,
1958.
6.Квливидзе В.А., Красильников С.С. - Введение в физику атомных
столкновений. 1985, гл.1, гл.3.
7.Мак-Даниель И. Процессы столкновений в ионизованных газах. Мир,
1967, гл.5.