Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа и устройство для его осуществления Советский патент 1990 года по МПК G01N23/00 

ром вводят сетчатый электрод, создающий эквипотенциальный объем, а сам . прибор соединяют со средствами откач- си и напуска газа. Поддерживая потенциалы Всех электродов в приборе пос- тояиныьш, регистрируют зависимости тока коллектЬ1ра от давления газа в приборе в диапазоне 1/3L Д 6L, где L - радиус коллектора, - длина свободного пробега электронов, что позволяет определить сечение взаимодей- . Устройство дпя определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа со.

Изобретение относится к экспери- ментеапьной физике и может использоваться дпя определения характеристик Взаимодействия электронов с газами.

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

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

Устройство дпя определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа содержит катод 1 в виде вольфрамовой нити диаметром 0., I мм, внутренний 2 и внешний 3 сетчатые электроды, коллектор 4 электронов, торцовые металлические кольцевые диски 5, крепящие сетчатые электроды 2, 3 и фopмиp yющиe вместе с нимм эквипотенциальную область электрического поля, баллон 6 дпя 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 1J, микроамперметр 12 для измерения эг ссионного

держит баллон с исследуемым газом 6, в котором помеще{сы источник электронов в виде металлической нити 1, аксиально последовательно расположенные с ним первьпТ и второй сетчатые электроды 2, 3 и коллектор электронов А. 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 шт.

тока катода 1, микроамперметр I3 для измерения тока коллектора 4 электронов, трансформаторы 14 и 15, ключ 16, автотрансформатор I7, выключатель 18,

делитель напряжения 19, выпрямляющий диод 20 и конденсатор 2..

Баллон 6 с исследуемым газом имеет форму цилиндра, по оси которого расположен вольфрамовый катод , накаливаемый- электрическим током. Коллектор 4 электронов изготовлен из металлической фольги. Все напряжения в устройстве отсчитываются от потенциала середины катода 1. Этот потен- циал с помощью делителя 19 воспроиз- водится в точке А. Шкроамперметр 12, подсоединенный к точке А, измеряет полный эмиссионный ток катода I. Микроамперметр 13, включенньй между мик

роамперметром 12 и коллектором 4, измеряет ток последнегЬ. Катод I накаливается током, возбуждаемым в пони- .жакицей обмотке трансформат-ора 14, первичная обмотка которого включена в сеть через автотрансформатор I7 с. выключателем 18.

5

Трансформатор 15 служит дпя создания анодного напряжения. Ток его , вторичной обмотки через выпрямляющий диод 20 заряжает конденсатор 2I, присоединенный одним концом через мик- роампермвтр 12 к точке А, а другим- к аноду. Ключ 16 подключает измерительную установку к электрической схеме.

3

Устройство работает следукшщм образом. .

С помощью вакуумного насоса 8 откачивают газ из баллона 6 до давления, 10 Торр, измеряемого термопарной лампой 7, Включают ток накала катода I, и измеряют микроамперметром I2 значение тока змиссии катода I, а микроамперметром 13 - значение тока коллектора А. Затем с помощью регулируемого вентиля 9 за счет напуска газа из резервуара увеличивают давление газа в баллоне 6, ре- пгстрируя зависимость токов через микроамперметры 12 и 3 от давления в баллоне 6 . в диапазоне давлений 1-10 - 3-10 Торр. Обработав полченную зависимость отношения показаний микроа1 терметров 12 и 13 от давления в баллоне 6, по тангенсу угла наклона полученной прямой определяю сечение взаимодействия электронов с молекулами газа.

Теоретические основы изобретения заключаются в следующем.

Предположим, что пучок электроно проходит через газ (см.фиг.2) выде- ляют на глубине х слой, имеющий

небольшую толщину dj. Обозначают количество частиц, дошедших до глубины X, через N(x). Из-за взаимодействия . в слое dy число частиц N(x + d ,), достигающих глубины х + d,, оказывается, мепьте, чем N (х). Количество частиц, испытавших взаимодействие в слое, пропорционально начальному числу частиц N, плотности п молекул в слое и толщине слоя d, так что:

N(x) - N(x + dj,) 6nN(x)d,

где 6 - коэффициент пропорциональности, соответствующий величине сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Деля это равенство на N(x) . и переходя к пределу при dj - О, находим

1 dN(x) N(x) 57

- 6 n

(I)

В том случае, если 6 и п не зависят от X, это уравнение можно проинтегрировать;

N(x) NO езфС-бпх) (2)

Таким образом, количество электро- нов в пучке экспоненциально уменьшается по мере его прохождеюся сквозь . газ..

Рассуждения, приводящие к лам (1) и (2), не зависят, ни от рода взаимодействующих частиц,.нн от их скорости, ни от конкретных физических явлений, приводящих к выбыванию электронов из пучка. Эти факторы влияют.на величину i . 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 молек улами газа, можно вычислить и среднюю дпи- ну его свободного пробега Л по формуле

J - L

- п&

(3)

20

35

На фиг.З изображено поперечное сечение измерительного устройства, служащего для определения сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Электрот-1 испускаются катодом I - накапенноУ вольфрамовой 25 читью, расположенной по оси прибора Анод представляет собой два коаксиальных цилиндрических сетчатых электрода 2 и 3, окружаюа;их катод 1 и электрически соединенных с торцов 30 металлическими кольцевыми дисками 5 (на фиг.З 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 откачивается на- сосом 8, причем давление исследуемого газа выбирается так , чтобы не- Q которая доля электронов могла пройти от катода 1 до коллектора 4, не испытав ИИ одного соз дарения с атомами газа, заполняющего баллон 6. Большую часть пути электроны проходят между с сетчатыми электродами 2 и 3. В этой эквипотенциальной области энергия электронов, а значит и сечение взаимодействия электронов с частицами газа постоянны, что обеспечивает g- применимость формулы (2).

Потенциалы катода 1 и коллектора 4 равны -друг другу, т.е. абсолютная величина задерживающего потенциала равна величине ускоряющего потенциа- -дЛа. При подаче на сетчатые электроды . 2, 3 напряжения электроньг сначала ускоряются в пространстве катод 1 - се-гчатый электрод 2, затем летят с постоянной скоростью и замедляются.

двигаясь от сетчатого г лсктрода 3 к коллектору 4. Е сли они на всем своем пути не испытынают ни одного соударения, то запаса кинетической энергии хватает на то, чтобы достичь коллектора А.

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 и рано или поздно будут поглощены сетчатым электродом 3.

На участках катод 1 - сетчатый электрод 2 и сетчатый электрод 3 - коллектор А энергия электронов зависит от координаты х, а поэтому и сечение взаимодействия электронов также может зависеть от координаты X, что может привести к ошибкам в определении сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Для уменьшения возможной ошибки необходимо расстояние между сетками - анодами сделать сравнимым с расстоянием между катодом и коллектором. Однако по технологическим и конструктивным причинам эти расстояния сделать равными нельзя. Для целей лабораторного практикума .точность определения вполне удовлетворительная, если расстояние между сетчатыми электродами 2,3 больше или равно О,85 расстояния между катодом 1 и коллектором А.

При упругих соударениях электроны меняют направление своего движения.. Большая их часть отклоняется на 3ia- метный. угол и с первой попь1тки попасть на коллектор не может {фиг.2). Несколько раз отражаясь в промежутке сетчатый электрод 3 - коллектор А, электрон меняет направление движения и с большой вероятностью не доход1 т до коллектора А.

А. Устройство по П.1, отличающееся тем, что расстояние L между цилиндрическими сетчатыми

Таким образом, в данном устройстве как неупругие, т.ак и упругие соударения приводят к уменьшению коллек-55 электродами удовлетворяет соотноше- торного тока, так что при измерениях . нию 0,85 i L/L, I, где L j, - расстоя- исследуется сечение взаимодействия ние между катодом и коллектором элек- электронов. тронов.

ормула и

6 3 о

бре. тения

5

0

5

0

5

0

1.Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, заключающийся в облучении объема с исследуемым газом ускоренными электронами, воздействии на электроны задерживаютим электрическим полем, изменении давле- НИН исследуемого газа при фиксированной величине потенциала задерживающего электрического поля и регистрации зависимости от давления исследув мЬго газа тока электронов, преодолев- пшх 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 эквипотенциальную 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 А ограничена пределами 6L, где L - геометрический размер эквипотенциальной области..

2.Способ ПОП.1, отличающийся тем, что величину потенциала задерживающего электрического поля устанавливают равной величийе потенциала ускоряющего электроны электрического поля.

3.Устройство для определения характеристик взаимодействия электронов с атома.ми и молекулами газа, содержащее баллон с исследуемым газом, j в котором осемимметрично размещены ; нит.евидный катод, первый и второй ЦИ1 линдри 1еские сетчатые элект роды, образующие измерительную камеру, и кол

5 лектор электронов, средства измене- i ния и измерения давления исследуемого газа, отличающееся тем, что первый и второй сетчатые электроды электрически соединены

0 друг с другом посредством торцовых . металлических кольцевых дисков.

А. Устройство по П.1, отличающееся тем, что расстояние L между цилиндрическими сетчатыми

5 электродами удовлетворяет соотноше- . нию 0,85 i L/L, I, где L j, - расстоя- ние между катодом и коллектором элек- тронов.

Фи.г.2

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

Фаг.З

Редактор Т.Шагова Г3 ак;аз 2489

Составитель К.Кононов Техред А. Кравчук

Корректор А.И

Тираж 497. Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делан изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушск)ая наб., д. 4/5

Производственир-полиграфическое тфедприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

Корректор А.Ильин