РАЗДЕЛЕНИЕ ИЗОТОПОВ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

video

При движении в постоянном магнитном поле со скоростью V на частицу массой m и зарядом q будет действовать сила Лоренца, направленная перпендикулярно её скорости: F = (q/c)[V,B] (в гауссовой системе единиц). Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение V2/R, заставляя её двигаться по окружности радиуса R = (mc/qB)V. Как видно из этого уравнения радиус траектории движения частицы оказывается линейно зависящим от её массы. На этом принципе основан электромагнитный метод разделения изотопов. По сути, установки, основанные на этом принципе, являются масс-спектрометрами.

На анимации показан пучок частиц, влетающих в магнитное поле. Заряды всех частиц одинаковые. Более лёгкие изотопы показаны красным цветом, более тяжёлые - синим. По мере движения в магнитном поле лёгкие частицы движутся по окружностям меньшего радиуса, а более тяжёлые - по окружностям большего радиуса. Сделав пол оборота, частицы абсорбируются на экране, который изображён на анимации серым цветом. Чем меньше масса частицы, тем ближе к источнику она сталкивается с экраном. Если на некотором удалении от источника в экране сделана узкая щель, то через неё будут проходить частицы строго определённой массы, определяемой расстоянием от источника до щели. Собирая частицы, прошедшие через щель, мы выделяем таким образом из смеси частиц изотопы определённой массы.

На практике вещество, изотопы которого требуется разделить, помещается в тигель ионного источника, испаряется и ионизуется. Ионы вытягиваются из ионизационной камеры сильным электрическим полем, формируются в ионный пучок и попадают в вакуумную разделительную камеру, помещенную в магнитное поле Н, направленное перпендикулярно движению ионов. На выходе разделительной камеры ионы различных изотопов попадают в приёмники, где и накапливаются. Чтобы все ионы влетали в магнитное поле с одинаковой скоростью их можно предварительно пропустить через скрещенное электрическое и магнитное поле, а затем через узкую щель. Электрическое и магнитное поле подбирается таким образом, что если скорости частиц V равны сE/H, то электрическая часть силы Лоренца компенсирует её магнитную часть, и такие частицы будут двигаться прямолинейно и равномерно, беспрепятственно проходя щель. Остальные частицы будут двигаться по криволинейным траекториям, попадая в защитный экран.

В другом типе масс-спектрометра исследуемые ионы также движутся в плоскости, перпендикулярной магнитному полю, но их начальные скорости в этой плоскости строго не фиксированы. Если апертура ионного пучка достаточно мала, то описав половину окружности в магнитном поле, заряженные частицы сфокусируются на экране в точку, причём  расстояние от источника ионов до места их фокусировки оказывается пропорциональной корню квадратному из массы частицы (или точнее отношению её массы m к заряду q). Действительно, перед тем как влететь в магнитное поле ионы разгоняются разностью потенциалов U. Их скорость при попадании в спектрометр равна V=√2qU/m . Далее, двигаясь в магнитном поле, на частицы будет действовать сила Лоренца. Приравнивая центростремительную силу mV2/R к величине силы Лоренца (q/c)VB и подставляя сюда начальную скорость частицы из уравнения выше, получаем что R=(c/B)√2Um/q. Ширина фокуса для каждого типа изотопов примерно равна δ = R·sin²(φ/2) ≈ Rφ²/4, где φ-угловая апертура ионного пучка. Такого рода аберрация ограничивает разрешающую способность масс-спектрометра. Для увеличения φ и обеспечения тем самым большей производительности разделительной установки применяют неоднородные магнитные поля.

На анимации показано разделение в магнитном поле пучка частиц, имеющих одинаковый заряд, но разную массу. Массы частиц, обозначенных синим цветом, в 2 раза больше массы частиц, обозначенных красным цветом. Более лёгкие частицы фокусируются ближе к источнику. Траектории движения частиц показаны тонкими светло-серыми линиями. Размер приёмников частиц соответствуют размеру фокуса для каждого типа частиц.

Основная сфера применения электромагнитного метода - получение небольших количеств чистых изотопов для лабораторного применения. Однако этот метод впервые позволил получить килограммовые количества 235U. Если в качестве детектора ионов использовать фотопластинку, то радиус движения ионов с высокой точностью покажет чёрная точка на фотопластинке. В современных масс-спектрометрах в качестве детекторов обычно используют электронные умножители или микроканальные пластинки.


Литература:
1. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц, Краткий курс теоретической физики, Книга 1. "Механика. Электродинамика", Москва, "Наука", 1969, пар.49
2. Д.В.Сивухин, Общий курс физики, Электричество, Москва, Наука, 1983, пар.87

Сылки:
1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/enc/e046.htm
2. http://profbeckman.narod.ru/RH0.files/7_4.pdf

Партнёры:

Rambler's Top100