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帶電粒子在勻強磁場中的運動(二十六)——飛行時間質譜儀

飛行時間質譜儀是用電場加速帶電粒子,後進入分析器,分析器是一根長、直的真空飛行管組成。我們還是用例題說明。

飛行時間質譜儀可透過測量離子飛行時間得到離子的荷質比q/m。如圖1,帶正電的離子經電壓為U的電場加速後進入長度為L的真空管AB,可測得離子飛越AB所用時間t1。改進以上方法,如圖2,讓離子飛越AB後進入場強為E(方向如圖)的勻強電場區域BC,在電場的作用下離子返回B端,此時,測得離子從A出發後飛行的總時間t2(不計離子重力) (1)忽略離子源中離子的初速度,①用t1計算荷質比;②用t2計算荷質比。

(2)離子源中相同荷質比離子的初速度不盡相同,設兩個荷質比都為q/m的離子在A端的速度分別為v和v '(v不等於 v '),在改進後的方法中,它們飛行的總時間通常不同,存在時間差 △t。可透過調節電場E使 t=0.求此時E的大小。

帶電粒子在勻強磁場中的運動(二十六)——飛行時間質譜儀

解析:這個質譜儀囉哩囉嗦一大堆文字,不免令人心煩。但是讀第二遍就會發現只有電場,是不是稍微鬆口氣?具體到圖1,不假思索,電場中的動能定理qU=½mv²。A到B,媽呀,太簡單了吧,勻速直線運動,L=vt1。所以圖1中的荷質比輕鬆解出來。再看圖2,簡單吧,圖1的基礎上加一個勻變速直線運動(合外力為電場力,來回具有對稱性)。所以求解沒有什麼難度。第二問,很顯然需要知道△t的表示式。勻速直線運動和勻變速直線運動兩部分時間之和再差,應該不難。所以還是我們所說的華麗包裝。再看一道。

飛行時間質譜儀可以對氣體分子進行分析。如圖所示,在真空狀態下,脈衝閥p噴出微量氣體,經鐳射照射產生不同價位(n價)的正離子,自a板小孔進入a、b間的加速電場,從b板小孔射出,沿中線方向進入MN板間的偏轉控制區,到達探測器。已知元電荷電量為e,a、b板間距為d,極板MN的長度和間距均為L。不計離子重力及進入a板時的初速度。

帶電粒子在勻強磁場中的運動(二十六)——飛行時間質譜儀

(1)當a、b間的電壓為u1時,在MN間加上適當的電壓u2,為使離子沿直線到達熒光屏,請匯出M、N間所加勻強磁場的磁感應強度B與離子的比荷K(K=ne/m) 的關係式。

(2)去掉偏轉電壓u2,在MN間區域加上垂直於紙面的勻強磁場,磁感應強度B,若進入a、b間所有離子質量均為m,要使所有的離子均能透過控制區從右側飛出,a、b間的加速電壓u1至少為多少?

解析:本題第一問和上題相比難度增加一些,多了一個磁場。但第一問仔細分析,沿直線運動,不難看出就是加速電場和速度選擇器的組合。不再贅述。

再看第二問,不管是偏轉電場還是偏轉磁場,構造直角三角形都是我們解決問題的首選,雙邊界磁場區域帶電粒子的運動更是如此。由直角三角形知識就可以知道軌跡圓的最小半徑。由圓周運動的半徑公式就可以輕鬆得出最小速度。所以最小的加速電壓也就迎刃而解。倒推也是解決問題的常用手段,大家注意體會。

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分類: 科學
時間: 2021-10-01

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