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Der Massenspektrograph und das ZyklotronVon Ivo Lazov und Felix Winterstein
14.05.2003
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Inhaltsverzeichnis
Der Massenspektrograph Aufbau Funktionsprinzip / Anwendungsmöglichkeiten Rechenbeispiel
Das Zyklotron Aufbau Funktionsprinzip Anwendungsmöglichkeiten Zur Relativitätstheorie
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Der Massenspektrograph
Dienlich in der Kernphysik Wird zur Massenbestimmung benutzt Man kann im Gegensatz zu chemischen Verfahren
auch verschiedene Ionisierungen bestimmen
Benötigt nur geringe Stoffmengen Es treten nur kleine Fehler auf Breitgefächerte Anwendungsgebiete
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Der Ionisierungsprozess
Die gasförmige Probe gelangt in die Entladungskammer, wo die Atome ionisiert werden. Die Luftpumpe sorgt dafür, dass ein Vakuum erhalten bleibt. Aus der Kathode tritt der Kanalstrahl aus. Die Elektronen werden von der Anode angezogen.
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Das elektrische Feld
Der Kanalstrahl passiert einen radialen Kondensator. beträgt immer 31° 50‘ und wird nicht verändert. Die langsameren Ionen werden stärker nach unten abgelenkt als die schnelleren.
e
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Das Magnetfeld
Schraffiert dargestellt ist hier ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Bildebene steht. Der Kanalstrahl wird aufgrund der Lorentzkraft nach links abgelenkt.
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Der Aufbau
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Massenspektrogramm
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Ein Rechenbeispiel
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Das Zyklotron
Von Ivo Lazov
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Erfinder und Einsatzgebiete
ErfinderE.O. Lawrence (1901-1958) erfand diesen Kreisbeschleuniger 1930
Kern- und ElementarteilchenphysikVersuch zu klären, ob Bausteine von Atomen, nämlich Protonen, Neutronen und Elektronen unteilbar oder mit einer Struktur sind.
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Aufbau
Polschuhe sehr starker Elektromagneten (erzeugen das senkrechte magnetische Feld)
zwei hohle D-förmige voneinander isolierte Elektroden, Duanten genannt, in denen ein Hochvakuum (10-4 bis 10-5 mbar) herrscht; von den Polschuhen der Elektromagneten umschlossen
schmaler Spalt zwischen Duanten Ionenquelle in der Mitte hochfrequente Wechselspannung Ablenkplatte beim Austrittsfenster
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Funktionsprinzip
Teilchen mit Ladung (Elektronen, Protonen, Ionen) werden mittels Glühemission bzw. Gasentladung produziert und treten in der Mitte in das Feld ein
durch ein senkrechtes Magnetfeld werden die Teilchen durch die Lorentzkraft auf einer Kreisbahn gehalten
bei Durchlaufen des Spaltes werden sie durch hochfrequentige (Mhz-Bereich) starke (20kV) Wechselspannung mit jedem Durchlauf in die folgende Kammer beschleunigt
in den vom Spannungsfeld schützenden Elektroden durchlaufen im vertikalen Magnetfeld die Teilchen Halbkreise bis zur nächsten Beschleunigung
Radius und Geschwindigkeit wachsen proportional Umlaufzeit bleibt konstant treten nach erfahrener Beschleunigung und Aufladung mit Hilfe eines
Ablenkkondensators aus und treffen auf ein Ziel (Target)
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Geschwindigkeit und Masse
laut Relativitätstheorie: Masse bleibt bei höherer Teilchengeschwindigkeit nicht mehr
konstant → Massenveränderlichkeit Phänomen bei annähernd Lichtgeschwindigkeit besonders stark, da
theoretisch unendliche Masse erreicht wird dadurch können mit konventionellen Zyklotronen Protonen nur bis
auf eine Energie von etwa 20 MeV beschleunigt werden durch laufend modulierte (abgestimmte) Verringerung der
Wechselspannung Steigerung der Energie möglich → Synchrozyklotron (über 400 GeV)
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Maße und Gewichte
für große kinetische Energien sind große Duanten-Radien und beträchtliche Flussdichten nötig
dadurch Magneten erheblicher Größe erforderlich mittleres Zyklotron enthält 65 t Eisen und 9 t Kupfer für
Magnetspulen im Zyklotron von Berkeley (USA) 3700 t Eisen und 300 t Kupfer;
Polschuhdurchmesser von 4,7m
Vergleich: verbrauchtes Eisen würde für zwei moderne große Zerstörer reichen
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Größenbestimmungen
r
vmF
2
rBQ
W mk
22
2
2
1
v
rt
2Umlaufzeit:
Radialkraft:
Kinetische Energie:
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Rechenbeispiel
gegeben:
Flussdichte B = 1,5 T
Spannung zwischen Duanten U = 25 000 V
Proton mit m = 1,67 10-27 kg
elektrische Ladung Q = 1,6 10-19 C
Frage: nach wie vielen Umläufen und nach welcher Zeit haben die Protonen im Zyklotron die kinetische Energie W = 10 MeV erreicht?
Nach jedem Umlauf gewinnen die Protonen die Energie 2 25 000 eV
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Rechnung
Daher lautet die Umlaufzahl n: 200250002
1010 6
eV
eVn
Benötigte Umlaufzeit (r wächst proportional zu ):
v
rt
2v
BvQr
vm
2
liefert:
m
BQ
r
v
also
,
BQ
mt
2
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Rechnung
Zeitdauer:
TC
kgtn 5,1106,1
1067,114,3220019
27
s74,8
stn610.74,8
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Quellenverzeichnis
Bücher: Kuhn Physik S. 105/106 Dorn Seite135 Höfling Physik Band 2 Seite595/596 Prof. Wolfgang Finkelberg, Einfuehrung in die Atomphysik Prof. Dr. L. Bergmann und Prof. Dr. Cl. Schaefer, Lehrbuch der
Experimentalphysik, Elektrizitätslehre II. Band F. Kohlrausch, Praktische Physik, Band 2 Fachlexikon ABC Physik, Band 2