Distribución de velocidad en fuente de iones (bombardeo de electrones) para espectrómetro de masas Bainbridge

Question

Distribución de velocidad en fuente de iones (bombardeo de electrones) para espectrómetro de masas Bainbridge

usuario47175

Considere los siguientes esquemas de un espectrómetro de masas Bainbridge

_{(Fuente: http://www.schoolphysics.co.uk/age16-19/Atomic%20physics/Atomic%20structure%20and%20ions/text/Mass_spectrometer/images/1.png )}

Supongamos que el gas contiene dos tipos de átomos (por ejemplo, dos isótopos de un elemento) con masas diferentes. La fuerza eléctrica entre los electrodos de la cámara de gas que los acelera es $qE$ , dónde $E$ es el campo eléctrico y $q$ la carga de los iones. Para simplificar, considere el caso de que tiene un ion de tipo A y uno de tipo B, cada uno con la misma carga q, pero con diferentes masas. $m_A$ y $m_B$ con $m_A > m_B$ . Entonces la velocidad de la $A$ antes de entrar en el filtro Wien será más pequeño que el sombrero del átomo $B$ (debido a su masa). Supongamos además que el filtro de Wien sólo deja pasar partículas con velocidad $v_A$ , que por suposición es igual a la velocidad de nuestro átomo $A$ . Porque $B$ es más rápido que $A$ , iones de tipo $A$ pasará el filtro Wien, pero los iones de tipo $B$ no lo haré

Pero entonces el campo magnético después del filtro Wien sería inútil, porque solo los iones del tipo $A$ pasaría el filtro.

Así que supongo que debe haber otra razón por la que las distribuciones de velocidad de tipo $A$ y $B$ los átomos se superponen después de dejar la fuente de iones de tal manera que ambos tipos $A$ y $B$ podría alcanzar el campo magnético después del filtro Wien.

¿Por qué es este el caso? ¿Cómo se puede estimar cuantitativamente cuán grande es la diferencia de $m_A$ y $m_B$ puede ser tal que las distribuciones de velocidad de $A$ y $B$ ¿superposición? ¿Me puede dar un ejemplo cuantitativo de $A$ y $B$ y las distribuciones de velocidad concretas de los experimentos?

También estoy buscando buenas referencias donde se discutan esas preguntas.

floris

@Julia La respuesta existente me parece bastante buena. ¿Puede elaborar un poco más sobre los puntos que cree que faltan? Pude ver solo un par: (1) las velocidades con las que las partículas ingresan al filtro Wien dependerán de su masa (mismo potencial de aceleración): cómo afecta esto a las cosas; (2) cuáles son los valores típicos de campo potencial/magnético para un espectrómetro de masas en funcionamiento; (3) ¿Qué es un buen libro que los describa? ¿Es eso lo que necesitas, o hay más? Cuanto más específica sea su pregunta, mayores serán sus posibilidades de que su recompensa se gaste bien.

julia

Los puntos principales son: -Obtener un ejemplo realista con números -En particular, las distribuciones de velocidad antes de ingresar al filtro Wien -No estoy seguro de si este tipo de espectrómetro se usa realmente con una fuente de bombardeo de electrones (más bien una fuente que tiene una mucho más amplia distribución de velocidad); No sé qué se usa realmente en esta configuración. -Faltan buenas referencias específicas...

colin mcfaul

Desde que vi que se publicó la recompensa, lo intenté varias veces para ver si había más información que pudiera encontrar para mejorar mi respuesta. Puedo pensar que se puede mejorar, pero no sé lo suficiente sobre máquinas de especificaciones de masas para responder las preguntas de @Julia. Parece que la única forma de obtener esas especificaciones es solicitarlas a los fabricantes, y no tengo suficiente experiencia con las especificaciones de masas para saber qué preguntas hacer (o incluso si el fabricante conocería algunas de las respuestas).

Respuestas (1)

Distribución de velocidad en fuente de iones (bombardeo de electrones) para espectrómetro de masas Bainbridge

@Julia La respuesta existente me parece bastante buena. ¿Puede elaborar un poco más sobre los puntos que cree que faltan? Pude ver solo un par: (1) las velocidades con las que las partículas ingresan al filtro Wien dependerán de su masa (mismo potencial de aceleración): cómo afecta esto a las cosas; (2) cuáles son los valores típicos de campo potencial/magnético para un espectrómetro de masas en funcionamiento; (3) ¿Qué es un buen libro que los describa? ¿Es eso lo que necesitas, o hay más? Cuanto más específica sea su pregunta, mayores serán sus posibilidades de que su recompensa se gaste bien.
Los puntos principales son: -Obtener un ejemplo realista con números -En particular, las distribuciones de velocidad antes de ingresar al filtro Wien -No estoy seguro de si este tipo de espectrómetro se usa realmente con una fuente de bombardeo de electrones (más bien una fuente que tiene una mucho más amplia distribución de velocidad); No sé qué se usa realmente en esta configuración. -Faltan buenas referencias específicas...
Desde que vi que se publicó la recompensa, lo intenté varias veces para ver si había más información que pudiera encontrar para mejorar mi respuesta. Puedo pensar que se puede mejorar, pero no sé lo suficiente sobre máquinas de especificaciones de masas para responder las preguntas de @Julia. Parece que la única forma de obtener esas especificaciones es solicitarlas a los fabricantes, y no tengo suficiente experiencia con las especificaciones de masas para saber qué preguntas hacer (o incluso si el fabricante conocería algunas de las respuestas).

colin mcfaul · Answer 1

El filtro Wien no es infinitamente preciso. Permitirá una pequeña distribución de velocidades a fondo.

Para repasar, el filtro de Wien funciona estableciendo campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares. El valor de estos campos se establece para que las partículas con la velocidad que desee no tengan fuerza neta y pasen directamente a través del filtro. Cualquier partícula con una velocidad diferente experimentará una fuerza neta y se desviará de la trayectoria recta. Una barrera física y la salida del filtro evita que esas partículas desviadas continúen hacia la parte principal del espectrómetro. Las partículas que no son desviadas pasan a través de una rendija en la barrera.

La fuerza de Lorentz sobre una partícula dada en el filtro de Wien es $\vec{F} = q(\vec{v}\times\vec{B} + \vec{E})$ . Suponiendo que las velocidades y el campo magnético y eléctrico son mutuamente perpendiculares, y usando su notación, esto da $v_A B = -E$ para una partícula que pasa directamente a través del filtro sin desviación. Entonces, si asumimos que todas las partículas viajan en la misma dirección, podemos dejar que la velocidad general sea $v = v_A + dv$ . La fuerza sobre una partícula con tal velocidad es entonces $\vec{F} = q(\vec{v_A}\times\vec{B} + \vec{E}) + q\vec{dv}\times\vec{B} = qB(dv)$ .

Digamos que el filtro tiene una longitud $l$ en la dirección del viaje de las partículas, y que la rendija tiene un ancho $d$ . Luego aplicando la cinemática a una partícula de masa $m$ , obtenemos que cualquier partícula con una velocidad tal que

d v \leq (\frac{2 v^{2} metro}{{yo}^{2} q B}) d

$\boxed{dv \leq \left(\frac{2v^2m}{l^2qB}\right)d}$ se permitirá a través del filtro en la región principal del espectrómetro. Es posible que pueda derivar una relación entre

v

$v$ y

m

$m$ basado en la física de la creación de iones, pero esto funciona en general.

Entonces, ¿por qué querrías hacer este proceso de tamizado de dos pasos? El objetivo del filtro inicial es reducir el rango de partículas que está viendo. Luego usa la parte principal del espectrómetro para observar con mayor precisión ese conjunto de partículas. Un uso típico de la espectrometría de masas es medir la abundancia de diferentes isótopos de un elemento dado. En ese caso, los isótopos son tus partículas. $A$ y $B$ , y desea que ambos pasen por el filtro. Filtra todo lo demás, luego optimiza la parte principal del espectrómetro para distinguir entre esas dos partículas.

Distribución de velocidad en fuente de iones (bombardeo de electrones) para espectrómetro de masas Bainbridge

usuario47175

floris

julia

colin mcfaul

Respuestas (1)

colin mcfaul

Juan Duffield

¿Cómo se le ocurrió a Bohr la figura nℏnℏn\hbar?

Después de que fallara el modelo del budín de ciruelas, ¿por qué los físicos concluyeron que los electrones estaban en órbita?

Descubrimiento de neutrones, ¿por qué no podría ser un rayo gamma? u otro fotón?

¿Cómo se hicieron las medidas para definir un segundo?

Principio de incertidumbre para la interpretación de objetos compuestos

Fisión y fuerza fuerte

"Estimados damas y caballeros radiactivos" - Carta de Wolfgang Pauli

¿La masa de un núcleo aumenta cuando se excita a niveles de energía más altos?

Espectroscopia gamma: ¿qué es esta estructura?

¿Por qué el efecto Stark se descubrió mucho más tarde que el efecto Zeeman?