Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа и устройство для его осуществления

Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к экспериментальной физике и может использоваться для онределения характеристик взаимодействия электронов с. газами. Цель изобретения - расширение информативности . Изобретение позволяет определять сечение взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа за счет того, что в пространство между катодом и аксиально симметрично расположенным с ним коллектос (Л САЭ Ю о: ел Фиг1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)5 С Ol Н 23/00!

И ОВШ ; i!h1 BTNOьибМЮ7

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

И ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (46) 23.07. 90. Бюл. У 27 (21) 3936346/31-25 (22) 19.07;85, (71) Московский физико-технический институт (72) Ф.Ф.Игошин, А.П.Овчинников, А.А,Теврюков и Г.Н.Фрейберг (53) 621.384(088.8) . (56) О.В.Shpenik et al. Excitation

of.metastable 1ече1в of noble — gas

atoms in crossed electron and gas

dynamical atomic beams, J. Phys. В:

At. Nol. nys. I7 (1984),р, 887-904.

9.R.A..Èñ Hahon. Elastic electronatom collision effects in the FrankHerts experiment. Am. J. Phys., 5l (1983), N l2, р. 1086-I091.

„„SU„„)I 326005 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С АТОМАИИ И МОЛЕКУЛАМИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО

ЛЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к экспериментальной физике и может использоваться для определения характеристик взаимодействия электронов с газами, Цель изобретения — расщиренио информативности. Изобретение позволяет определять сечение взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа эа счет того, что в пространство между катодом и аксиально симметрично расположеннъ м с ним коллекто132 ром вводят сетчатый электрод, создающий эквипотенциальный объем, а сам прибор соединяют со средствами откачки и напуска rasa. Поддерживая потенциалы всех электродов в приборе постоянными, регистрируют зависимости тока коллектора от давления газа в приборе в диапазоне !/ЗЬс p < 61., где

L — - радиус коллектора, 3 - длина свободного пробега электронов, что позволяет определить сечение взаимодейс вия, Устройство для определения ха;;Ф," -, рактеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа со6005 держит баллон с исследуемым газом 6, в котором помещены источник электронов в виде металлической нити 1, аксиально госледовательно расположенпые с ним первый и второй сетчатые электроды 2, 3 и коллектор электронов 4. Первый и второй сетчатые электроды измерительной камеры электрически соединены между собой с торцов металлическими кольцевыми дисками 5, создающими между собой в измерительной камере эквипотенциальную область электрического поля. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 3 ил..!

Изобретение относится к экспериментальной физике и может использоваться для определения характеристик взаимодействия электронов с газами.

Цель изобретения — расширение информативности за счет определения сечения взаимодействия электронов с атомами и молекулами.

На фиг.l приведены схема устройства для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа; на фиг.2 изображен поток электронов, частично .поглощаемый газом; на фиг.3 дано попереч15 ное сечение устройства и возможная траектория электрона.

Устройство для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа содержит катод ) в виде вольфрамовой нити диаметром 0.,1 мм, внутренний 2 и внешний 3 сетчатые электроды, коллектор

4 электронов, торцовые металлические кольцевые диски 5, крепящие сетчатые электроды 2, 3 и формирующие вместе с ниии эквипотенциальную.область электрического поля, баллон 6 для исследуемого газа, измеритель (термопарная лампа 7) давления газа в баллоне 6, средство откачки (вакуумный насос 8) газа из баллона 6, регулируемый вентиль 9 для напуска газа в баллон 6 из резервуара (не показан) с.исследуемым газом, изоляторы 10 электрических вводов 11, микроамперметр 12 для измерения эмиссионного

2 тока катода 1, микроамперметр 13 для измерения тока коллектора 4 электронов, трансформаторы 14 и 15, ключ 16, автотрансформатор 17, выключатель IB, делитель напряжения 19, выпрямляющий диод 20 и конденсатор 21.

Баллон 6 с исследуемым газом имеет форму цилиндра, по оси которого расположен вольфрамовый катод l, накаливаемый электрическим током. Коллектор 4 электронов изготовлен из металлической фольги. Все напряжения в устройстве отсчитываются от потенциала середины катода I. Этот потенциал с помощью делителя 19 воспроизводится в точке А. Иикроамперметр !2, подсоединенный к точке А, измеряет полный эмиссионный ток катода 1. Иикроамперметр 13, включенный между микроамперметром 12 и коллектором 4, измеряет ток последнего. Катод l накаливается током, возбуждаемым в понижающей обмотке трансформатора 14, первичная обмотка которого включена в сеть через автотрансформатор !7 с. выключателем 18.

Трансформатор !5 служит для создания анодного напряжения. Ток его вторичной обмотки через выпрямляющнй диод 20 заряжает конденсатор 21, нри. соединенный одним концом через микроамперматр 12 к точке А, а другнмк аноду. Ключ 16 подключает измерительную установку к электрической схеме.! 326005

Устройство работаei следующим образом. С помощью вакуумного насоса 8 откачивают газ из баллона 6 до давления. !О 4 Торр, измеряемого термопарной лампой 7. Включают ток накала катода 1, и измеряют микроамперметром 12 значение тока эмиссии катода

1, а микроамперметром 13 - значение тока коллектора 4. Затем с помощью регулируемого вентиля 9 эа счет напуска газа из резервуара увеличивают давление газа в баллоне 6, регистрируя зависимость токов через микроамперметры 12 и 13 от давления в баллоне 6, в диапазоне давлений

1-10 — 3 10 Торр. Обработав полученную зависимость отношения показаний микроамперметров 12 и 13 от давления в баллоне 6, по тангенсу угла наклона полученной прямой определяют сечение взаимодействия электронов с молекулами газа.

Теоретические основы изобретения заключаются в следующем.

Предположим, что пучок электронов проходит через газ (см.фиг.2) выделяют на глубине х . слой, имеющий небольшую толщину Й „. Обозначают количество частиц, дошедших до глубины х, через N(x). Из-за взаимодействия в слое dx число частиц N(x + d ), достигающих глубины х + d оказывается. меньше, чем N(x). Количество частиц, испытавших взаимодействие в слое, пропорционально начальному числу частиц N, плотности и молекул в слое и толщине слоя d так что:

Ы(х) - N(x+ 1„) =апи(хИ„, где о — коэффициент пропорциональности, соответствующий величине сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Деля это равенство íà N(x) и переходя к пределу при Й - О, находим

1 dN(x) — = -Ьп

N(x) d x

В том случае, если б и и не эавиcm от х, это уравнение можно проин-. тегрировать: (2) N(x) Nо ехр(- 6 пх) Такии образом, количество электро вов в пучке экспоненциально уменьша ется по иере его црохожденкя. сквозь . гаэ.

Рассуждения, приводящие к формулам (1) и (2), не эависят, ни от рода взаимодействующих частиц,. ни от их

5 скорости, нн от конкретных физических явлений, приводящих к выбыванию электронов из пучка. Эти факторы влияют иа величину . Физика процесса заключена в величине сечения взаимодействия и в его зависимости от рода частиц и от условий взаимодействия. Зная сечение взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, можно вычислить и среднюю длину его свободного пробега Л по формуле !

Л= —— (3) п б

На фиг.3 изображено поперечное сечение измерительного устройства служащего для определения сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Электро в испускаются катодом — накаленной вольфрамовой

25.нитью, расположенной по оси прибора, Анод представляет собой два коаксиальных цилиндрических сетчатых элек" трсда 2 и 3, окружающих катод и электрически соединенных с торцов

З0 металлическими кольцевыми дисками 5 (на фиг.3 не показаны). В пространстве между сетчатыми электродами 2 и

3 электрическое поле отсутствует. За вторым сетчатым электродом 3 расположен цилиндрический -непрозрачный для электронов коллектор 4. Измерительное устройство откручивается насосам 8, причем давление исследуемого газа выбирается так, чтобы не40 которая доля электронов могла пройти от катода до коллектора 4, не испытав ни одного соударения с атомами газа, заполняющего баллон 6. Большую часть пути электроны проходят между

46 сетчатыми электродами 2 и 3. В этой эквипотенциальной области энергия электронов, а значит и сечение взаимодействия электронов с частицами газа постоянны, что обеспечивает применимость формулы (2). .Потенциалы катода 1 и коллектора

4 равны друг другу, т.е. абсолютная величина задерживающего потенциала равна величине ускоряющего потенциа55ла. При подач на сетчатые электроды

2, 3 напряжения электроны сначала ускоряются в пространстве катод 1 сетчатый электрод 2, затем летят с постоянной скоростью и замедляются, 5 l326n0 двигаясь ет сетчатого электрода 3 к коллектору 4. Если онн на всем своем пути не испытывают ни одного соудареЯ ния, то запаса кинетической энергии хватает на то, чтобы достичь коллектора 4.

При соударении с молекулами газа . электроны либо теряют энергию, возбуждая встречные молекулы (неупругие соударения), либо меняют направление движения вследствие упругих соударений. При неупругих соударениях электроны передают встречным молекулам заметную долю своей энергии. После этого они не могут достичь коллектора 4 и рано или поздно будут поглощены сетчатым электродом 3.

На участках катод 1 — сетчатый электрод 2 и сетчатый электрод 3коллектор 4 энергия электронов зависит от координаты х, а поэтому и сечение взаимодействия электронов также может зависеть от координаты х, что может привести к ошибкам в определении сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Для уменьшения возможной ошибки необходимо расстояние между сетками — ано-, 30 дами сделать сравнимым с расстоянием между катодом и коллектором. Однако по технологическим и конструктивным прининам эти расстояния сделать равными нельзя, Для целей лабораторного практикума, точность определения вполне удовлетворительная, если расстояние между сетчатыми электродами

2, 3 больше или равно,0,85 расстояния между катодом 1 и коллектором 4.

При упругих соударениях электроны меняют направление своего движения.

Большая их часть отклоняется на замятный угол и с первой попытки по 45 пасть на коллектор не может (фиг.2}.

Несколько раз отражаясь в промежутке ,сетчатый электрод 3 — коллектор 4, электрон меняет направление движения и с большой вероятностью не доходйт до коллектора 4.

Таким образом, в данном устройстве как неулругие, так и упругие соу- . дарения приводят к уменьшению коллек- 55

Ъ торного тока, так что при измерениях исследуется сечение взаимодействия электронов.

5 6

Формула изобретения

l. Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, заключающийся в облучении объема с исследуемым газом ускоренными электронами, воздействии на электроны задерживающим электрическим полем, изменении давле ния исследуемого газа при фиксированной величине потенциала .задерживающего электрического поля и регистра-ции зависимости от давления исследуе мЬго газа тока электронов, преодолевших задерживающее электрическое поле, отличающийся тем, что, с целью расширения информативности за счет определения сечения взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, в объеме с исследуемым газом формируют эквипотенциальиую область электрического поля, которую облучают ускоренными электронами, а изменение давления исследуемого газа при определении сечения взаимодействия производят, в диапазоне, в котором длина свободного пробега электро. нов Л ограничена пределами 1/3Ь(А<Я., где L — геометрический размер эквипотенциальной области.

2. Способ по п.l, о т л и ч а ю— шийся тем, что величину потенциала задерживающего электрического поля устанавливают равной величийе потенциала ускоряющего электроны электрического поля.

3. Устройство для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, содержащее баллон с исследуемым газом, 1

1 в котором осемимметрично размещены нитевидный катод, первый и второй ци линдрические сетчатые электроды, об-. разующие измерительную камеру, и кол ; лектор электронов, средства изменения и измерения давления исследуемого газа, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что первый и второй сетчатые электроды электрически соединены друг с другом посредством торцовых металлических кольцевых дисков.

4. Устройство по п.l, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что расстояние

L между цилиндрическими сетчатыми электродами удовлетворяет соотношению 0,85 < L/L„ ñ l, где Ь - расстоя-: ние между катодом и коллектором электронов.

1326005

Фиа Г

Составитель K.Kîíîíîâ

Техред А. Кравчук Корректор А.Ильин

Редактор Т.йагова. Заказ 2489

Тиран 497 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

Il3035, Москва, Ж-35, Раувская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Умгород, ул. Проектная, 4