Уравнение движения для частицы в электрическом и магнитном поле: ,где m, q, – масса, заряд, скорость заряженной частицы, – напряженность электрического поля, – напряженность магнитного поля. Уравнение движения записано в гауссовой системе (присутствует множитель 1/c, где с скорость света).


The Presentation inside:

Slide 0

Лекция № 2. ДВИЖЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ И МАГНИТНОМ ПОЛЕ. Траектории заряженных частиц в однородных электрическом и магнитном полях. Отклонение и фокусировка заряженных частиц в постоянном электрическом поле. Фокусировка в плоском и цилиндрическом конденсаторах. Электростатические энергоанализаторы. Фокусировка электронных траекторий при движении вдоль магнитного поля и перпендикулярно ему. Уравнение движения для частицы в электрическом и магнитном поле: ,где m, q, – масса, заряд, скорость заряженной частицы, – напряженность электрического поля, – напряженность магнитного поля. Уравнение движения записано в гауссовой системе (присутствует множитель 1/c, где с скорость света).


Slide 1


Slide 2

Однородное ускоряющее электрическое поле. Рассмотрим ускорение электронов в однородном электрическом поле Траектория электрона описывается уравнением: (по прежнему e – модуль заряда электрона), тогда , где - начальная энергия электрона. Будем считать, что электроны выходят с катода с нулевой начальной скоростью. Это предположение оправдано, так как начальная энергия термоэлектронов, как будет показано позднее, равна , где - температура катода, которая не может быть более 4000 К. Учитывая, что температура в 11600 К соответствует 1 эВ, следовательно, начальная энергия не более 0.3 эВ. Прикладываемое ускоряющее напряжение как правило более 100 В, следовательно начальная энергия электронов пренебрежимо мала по сравнению с приобретаемой в ускоряющем электрическом поле. Зависимость координаты от времени: Схема электронной пушки.


Slide 3

Ускорение при старте под углом к полю. Рассмотрим случай, когда начальная скорость электрона , влетающего в промежуток с ускоряющим электрическим полем, не пренебрежимо мала и направлена под углом к полю (рис.2.2). Система уравнений для траектории частицы имеет вид: Выразив время из первого уравнения системы и подставив во второе, получим уравнение для траектории: Ускорение под углом к полю. Соотношение описывает квадратичную зависимость. Следовательно, траектория будет параболой, положение вершины которой зависит от угла влета .


Slide 4

Однородное тормозящее электрическое поле. Электронный пучок, который до этого был ускорен до некоторой энергии и выполнил некоторую функцию (например, пропущенный через плазмохимический реактор), направляется в систему торможения .Такая система торможения, получившая название рекуператора энергии, имеет техническое применение, когда необходимо преобразовать кинетическую энергию заряженных частиц в потенциальную (рекуперировать), вернув ее таким образом в накопитель. Электроны влетают в промежуток с некоторой начальной энергией , где -потенциал, в котором электроны были ускорены до входа в систему торможения. По мере движения к коллектору электроны теряют скорость, «забираясь» на все поле «высокий» потенциал, придя на коллектор электроны отдают свой заряд в накопитель. Для того, чтобы электроны полностью потеряли кинетическую энергию и пришли на коллектор с нулевой скоростью, необходимо, чтобы тормозящий потенциал был равен Схема рекуператора энергии.


Slide 5

. Торможение и фокусировка под углом к электрическому полю. Рассмотрим торможение под углом к полю Траектория будет описываться зависимостью, аналогичной с той лишь разницей, что электрическое поле имеет противоположный знак: Торможение электронов под углом к полю. То есть траектория тоже является параболой, но ее ветви направлены вниз. Положение вершины параболы определяется из соотношения: Тогда координата вершины параболы: Предположим, что входящий пучок электронов имеет угловой разброс . Если угол влета пучка будет равен , то для верхнего граничного электрона вершина параболы будет находиться в точке:


Slide 6

Рекуператор немоноэнергетического пучка. Часто возникает необходимость рекуперировать энергию пучка, заряженные частицы которого имеют разброс по энергиям. Следовательно необходимо, чтобы частица с разными энергиями приходили на электроды, находящиеся на разной высоте Требуется найти геометрию электродной системы торможения, то есть, под каким углом необходимо произвести «срез» электродов. Торможение немоноэнергетичного пучка электронов. Координата вершины параболы траектории электрона определяется соотношение, координата определяется из соотношения: Тогда то есть, вершины парабол лежат на прямой, наклоненной к поверхности входного электрода под углом, равным


Slide 7

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле. Рассмотрим случай постоянного во времени и однородного в пространстве На движущуюся частицу зарядом в магнитном поле действует сила Лоренца Уравнение движения домножим скалярно на скорость Правая часть будет равна нулю, следовательно то етсь i Вращение заряженных частиц в магнитном поле. Разобьем скорость частицы на две составляющие вдоль и поперек поля. Вдоль поля частица движется как свободная. Уравнение для поперечной составляющей: т.е., Уравнение описывает вращение по окружности с частотой называемой ларморовской (циклотронной). Ларморовская частота не зависит от энергии частицы.


Slide 8

Отклонение и фокусировка пучка заряженных частиц в электрическом и магнитном поле. Наиболее простой является система в виде плоского конденсатора. Пусть пучок электронов запускается параллельно пластинам найдем угол отклонения пучка ? в зависимости от энергии частиц. Поперечная скорость, приобретаемая в отклоняющем электрическом поле: Тангенс угла вылета электрона: Отклонение электронного пучка в поле плоского конденсатора. Поперечное смещение электрона в пределах отклоняющей системы: Поперечное смещение на расстоянии x от центра системы определяется соотношением:


Slide 9

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 Проекция движения частиц на перпендикулярную к силовым линиям плоскость представляет собой пучок окружностей, имеющих общую точку. Если угол расходимости пучка ? невелик, то фокусировка моноэнергетического пучка произойдет через один оборот на расстоянии l = tлVcos? ? 2?mVc/(eH), где tл = 2?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.


×

HTML:





Ссылка: