Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц в электрическом и магнитном поле.

п.2.3.1.Отклонение электронного пучка в однородном электрическом поле электростатического конденсатора.

Наиболее простой является система в виде плоского конденсатора. Пусть пучок электронов запускается параллельно пластинам (рис. 2.7 ), найдем угол отклонения пучка a в зависимости от энергии частиц W_к0. Поперечная скорость, приобретаемая в отклоняющем электрическом поле: , где - время пролета отклоняющей системы, l - протяженность области действия поля. Тангенс угла вылета электрона:

, где -отклоняющее напряжение, d - расстояние между пластинами конденсатора. Поперечное смещение электрона в пределах отклоняющей системы: , следовательно, тангенс угла прямой, соединяющей

Рис. 2.7. Отклонение электронного пучка в поле плоского конденсатора.

центр системы с точкой вылета:

, то есть, угол вылета совпадает с углом

Поперечное смещение на расстоянии x от центра системы определяется соотношением:

п.2.3.2. Фокусировка электронного пучка в однородном электрическом поле электростатического конденсатора.

В поле плоского конденсатора можно не только отклонять, но и фокусировать пучки заряженных частиц. Благодаря различным значениям потенциала на верхней и нижней границе пучка (рис.2.8), а значит и различным скоростям частиц, происходит фокусировка пучка. Такие системы используются в электронно-лучевых экранах. Можно оценить фокусное расстояние (расстояние от центра системы до точки фокусировки). Распределение потенциала в отклоняющей системе: . Тогда потенциал в точках А и В: , . Для малых углов отклонения:

Рис. 2.8. Фокусировка электронного пучка в поле плоского конденсатора.

. Разность углов отклонения частиц на границах пучка:

Тогда фокусное расстояние можно оценить соотношением:

. Таким образом, с ростом угла отклонения уменьшается расстояние до точки фокусировки, это является причиной выпуклости экранов.

п.2.3.3.Отклонение в однородном магнитном поле, ограниченном в пространстве.

Рис. 2.9. Отклонение пучка в поперечном магнитном поле.

поле будет разворачивать частицы, отклонение в поперечном направлении в пределах действия магнитного поля

, за пределами -

. Суммарное отклонение:

, где

Рассмотрим систему, в которой поперечное к движению пучка однородное магнитное поле существует в ограниченном пространстве протяженности (рис.2.9). Магнитное

п.2.3.4.Фокусировка пучка в продольном однородном магнитном поле.

В продольном однородном магнитном поле фокусировка происходит в силу того, что вышедшие из одной точки частицы после совершения одного оборота по ларморовской окружности возвращаются на исходную силовую линию магнитного поля (рис. 2.10). Проекция движения частиц на перпендикулярную к силовым линиям плоскость представляет собой пучок окружностей, имеющих общую точку. Если угол расходимости пучка a невелик, то фокусировка моноэнергетического пучка произойдет через один оборот на расстоянии l = t_л Vcosa » 2p mVc/(eH), где t_л = 2p mc/(eH) – период вращения по ларморовской окружности. Таким образом, расстояние до места фокусировки пучка зависит от скорости и массы частиц, и продольное однородное магнитное поле может быть использовано для энерго- и масс-сепарации частиц.

п.2.3.5.Фокусировка пучка в поперечном однородном магнитном поле энергоанализатора или массепаратора.

Благодаря зависимости радиуса вращения в магнитном поле от поперечной скорости V_^ и массы m заряженной частицы, возможно их разделение (сепарация) по энергиям и массам, а также фокусировка как в поперечном, так и в продольном однородном магнитном поле. В поперечном магнитном поле наиболее распространенной является схема с полукруговой фокусировкой (рис. 2.11). Выходящий из точечного источника А перпендикулярно силовым линиям пучок моноэнергетических частиц будет фокусироваться после полуоборота на расстоянии . Фокусировка частиц, вылетевших под одинаковым углом a к центральной траектории пучка, происходит благодаря тому, что круговые траектории частиц имеют одинаковые радиусы, и их

Рис. 2.11. Фокусировка пучка в поперечном магнитном поле.

траектории опираются на диаметры, расположенные под тем же углом 2a, что и касательные к траекториям в начальной точке:

, где

Ширина щели, необходимая для прохождения всего пучка, зависит от расходимости 2a входящего пучка:

Если известна масса и заряд – можно определить энергию (энергоанализатор): .

Если известна энергия и заряд – можно определить массу (масс-сепаратора): .

Если известна масса и энергия – можно определить заряд (зарядоанализатор): .

п.2.3.6. Отклонение и фокусировка ионного пучка в неоднородном электрическом поле цилиндрического конденсатора (энергоанализатор).

Хорошую фокусировку позволяет получить цилиндрический конденсатор. Электрическое поле цилиндрического конденсатора обратно пропорционально расстоянию от центра системы, E(r) = c/r, та как по теорема Гаусса поток электрического поля равен заряду: , то есть, . Следовательно, уравнение для потенциала , тогда , где – радиусы цилиндров (рис.2.12). Таким образом, электрическое поле в цилиндрическом конденсаторе: , где = U₂ – U₁, U₁, U₂– потенциалы внутреннего и

Рис. 2.12. Отклонение пучка в цилиндрическом конденсаторе.

внешнего цилиндра. Через узкую выходную щель будут «успешно» проходить только частицы, имеющие круговые траектории и скорости, удовлетворяющие условию:

(остальные попадут на стенки цилиндра), т. е. частицы, имеющие кинетическую энергию:

Рис. 2.13. Фокусировка пучка в цилиндрическом конденсаторе.

Для решения уравнения движения для некруговых траекторий в полярных координатах введем угловую скорость

и угловое ускорение

. На оси угловая скорость

. Для центральной траектории выполняется баланс электрической и эффективной центробежной сил:

Для нецентральной траектории уравнение движения: . Исходя из равенства потока электрического поля . Удобно рассмотреть отклонение траектории от круговой: (r << R).Тогда уравнение движения можно представить в виде: . С учетом постоянства в поле центральных сил секторальной скорости выполняется соотношение , тогда получим уравнеие: . Приведем его к виду: или , в результате преобразований получим уравнение: . Пренебрегая и , имеем гармонические колебания: , решение которого представляет собой колебания около круговой траектории с полупериодом , то есть после поворота на этот угол пучок фокусируется на круговой траектории (фокусировка по Юзу и Рожанскому).