Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа и устройство для его осуществления

; )ИЕЛТМ 4ЬИЭМФТ ТЕН ехнический инннковерг ОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ ОПИСАНИЕ ИЗОБР И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) О.В.БЬрепИс ей а 1.оГ шегавгаЬ 1 е 1 ече 1 з оЕапоша хп сговвед е 1 есСгдупашхса 1 агошхс Ьеашз,АС, Ио 1. Рпуз. 17 (984О.К.АИс ИаЬоп. Е 1 ааош со 111 в 1 оп еНесйзНегров ехрегашепй, Аш, Л(983), 0 12, р, 1086-1 Ехс 1 га 1 оппоЬ 1 е - Вав оп апд еаз(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЗАИИОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОНОВ С АТОИАИИ И ИОЛЕКУЛАИИ ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Изобретение относится к экспериментальной Физике и может использоваться для определения характеристиквзаимодействия электронов с газами,Цель изобретения - расщиренио инФормативности. Изобретение позволяетопределять сечение взаимодействияэлектронов с атомами и молекуламигаза эа счет того, что в пространство между катодом и аксиально симметрично расположенным с ним коллекто132 ром вводят сетчатый электрод, создающий эквипотенциальный объем, а сам прибор соединяют со средствами откачки и напуска газа. Поддерживая потенциалы всех электродов в приборе постоянными, регистрируют зависимости тока коллектора от давления газа в приборе в диапазоне 1/3 Ьс61., где Ь - радиус коллектора, 3 - длина сво" бодного пробега электронов, что позволяет определить сечение взаимодейсвия, Устройство для определения ха% ;р акт еристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа с о 6005держит баллон с исследуемым газом 6,в котором помещены источник электронов в виде металлической нито 1, аксиально госледовательно расположенные с ним первьпЧ и второй сетчатыеэлектроды 2, 3 и коллектор электронов 4. Первь 1 и второй сетчатые электроды измерительной камеры электрически соединены между собой с торцовметаллическими кольцевыми дисками 5, создающими между собой в измерительной камере эквипотенциальную область электрического поля. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п, ф-лы, 3 ил1Изобретение относится к экспериментальной физике и может использоваться для определения характеристик взаимодействия электронов с газами.Цель изобретения - расширение ин формативности за счет определения сечения взаимодействия электронов с атомами и молекулами.На фиг.1 приведены схема устройства для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа; на фиг.2 изображен поток электронов, частично .поглощаемый газом; на фиг.3 дано попереч 15 ное сечение устройства и возможная траектория электрона.Устройство для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа содержит катод 1 в виде вольфрамовой нити диаметром 0.,1 мм, внутренний 2 и внешний 3 сетчатые электроды, коллектор 4 электронов, торцовые металлические кольцевые диски 5, крепящие сетчатые электроды 2, 3 и формирующие вместе с ниии эквипотенциальную.область электрического поля, баллон 6 для 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 11, микроампер- метр 12 для измерения эмиссионного 2тока катода 1, микроамперметр 13 дляизмерения тока коллектора 4 электронов, трансформаторы 14 и 15, ключ 6,автотрансформатор 7, выключатель 8,делитель напряжения 19, выпрямляющийдиод 20 и конденсатор 21.Баллон 6 с исследуемым газом имеет форму цилиндра, по оси которогорасположен вольфрамовый катод 1, накаливаемый электрическим током. Коллектор 4 электронов изготовлен изметаллической фольги. Все напряженияв устройстве отсчитываются от потенциала середины катода 1. Этот потенциал с помощью делителя 19 воспроизводится в точке А. Иикроамперметр 2,подсоединенный к точке А, измеряетполный эмиссионный ток катода 1, Иикроамперметр 13, включенньп между микроамперметром 12 и коллектором 4, измеряет ток последнего. Катод 1 накаливается током, возбуждаемым в понижающей обмотке трансформатора 14,первичная обмотка которого включенав сеть через автотрансформатор 7 с.выключателем 18,Трансформатор 5 служит для создания анодного напряжения. Ток его вторичной обмотки через выпрямляющнй диод 20 заряжает конденсатор 21, при соединенный одним концом через микроамперматр 12 к точке А, а другимк аноду, Ключ 16 подключает измерительную установку к электрической схеме.Устройство работаег следующим образом.С помощью вакуумного насоса 8 откачивают газ из баллона 6 до давления О 4 Торр измеряемого термопа ной лампой 7, Включают ток накала катода 1, и измеряют микроамперметром 12 значение тока эмиссии катода 1, а микроамперметром 13 " значение тока коллектора 4. Затем с помощью регулируемого вентиля 9 эа счет напуска газа из резервуара увеличи" вают давление газа в баллоне 6, регистрируя зависимость токов через мик" роамперметры 12 и 13 от давления в баллоне 6 в диапазоне давлений 1-10- 3 ОТорр. Обработав полученную зависимость отношения показаний микроамперметров 12 и 13 от давления в баллоне 6, по тангенсу угла наклона полученной прямой определяют сечение взаимодействия электронов с молекулами газа.Теоретические основы изобретения заключаются в следующем.Предположим, что пучок электронов проходит через газ (см.фиг.2) выделяют на глубине х слой, имеющий небольшую толщину В . Обозначают количество частиц, дошедших до глубины х, через Б(х). Из-за взаимодействия в слое д число частиц Н(х + д ), достигающих глубины х + д, оказывается.меньше, чем И(х). Количество частиц, испытавших взаимодействие в слое, пропорционально начальному числу частиц И, плотности и молекул в слое и толщине слоя д, так что:Ы(х) - М(х+ 1) =бпла(х)а,где о - коэффициент пропорциональности, соответствующий величине сечениявзаимодействия электронов с частицами газа. Деля это равенство на Б(х)и переходя к пределу при д -ф О, находим 1 дй(х) - = -Ьп 0(х) йВ том случае, если б и п не зависят от х, это уравнение можно проин-. тегрировать: М(х) Ю ехр(- 6 пх)(2) Такии образом, количество электро вов в пучке экспоненциально уменьшается по иере его црохожденкя. сквозь . гаэ. Рассуждения, приводящие к формулами (2), не эависят, ни от родавзаимодействующих чзстиц,.ни от их 5скорости, нн от конкретных физических явлений, приводящих к выбываниюэлектронов из пучка. Эти факторывлияют иа величину Ь . Физика процесса заключена в величине сечения взаимодействия и в его зависимости отрода частиц и от условий взаимодействия. Зная сечение взаимодействияэлектронов с атомами и молекуламигаза, можно вычислить и среднюю длину его свободного пробега Ь по фор"мулеЯ= -- (3)п 6На фиг.3 изображено поперечное20 сечение измерительногоустройстваслужащего для определения сечениявзаимодействия электронов с частицами газа. Электроны испускаются катодом- накаленной вольфрамовой25.нитью, расположенной по оси прибора,Анод представляет собой два коаксиальных цилиндрических сетчатых элек"трода 2 и 3, окружающих катодиэлектрически соединенных с торцовЗ 0 металлическими кольцевыми дисками 5(на Фиг.3 не показаны), В пространстве между сетчатыми электродами 2 и3 электрическое поле отсутствует. Завторым сетчатым электродом 3 расположен цилиндрический непрозрачныйдля электронов коллектор 4. Измерительное устройство откачнвается насосам 8, причем давление исследуемого газа выбирается так, чтобы не 40 которая доля электронов могла пройтиот катодадо коллектора 4, не испытав ни одного соударения с атомамигаза, заполняющего баллон 6, БольшуюЧасть пути электроны проходят между45 сетчатыми электродами 2 и 3. В этойэквипотенциальной области энергияэлектронов, а значит и сечение взаимодействия электронов с частицамигаза постоянны, что обеспечиваетприменимость формулы (2),.Потенциалы катода 1 и коллектора4 равны друг другу, т.е. абсолютнаявеличина задерживающего потенциаларавна величине ускоряющего потенциала. При подаче на сетчатые электроды2, 3 напряжения электроны сначалаускоряются в пространстве катод 1сетчатый электрод 2, затем летят спостоянной скоростью и замедляются, 5 132600 двигаясь ет сетчатого электрода 3 к коллектору 4, Ежи онн на всем своем пути не испытывают ни одного соударе" ния, то запаса кинетической энергии хватает на то, чтобы достичь коллектора 4.При соударении с молекулами газа электроны либо теряют энергию, возбуждая встречные молекулы (неупругие соударения), либо меняют направление 10 движения вследствие упругих соударений. При неупругих соударениях элек" троны передают встречным молекулам заметную долю своей энергии. После этого они не могут достичь коллектора 4 и рано или поздно будут поглощены сетчатым электродом 3,На участках катод 1 - сетчатый электрод 2 и сетчатый электрод 3- коллектор 4 энергия электронов зависит от координаты х, а поэтому и сечение взаимодействия электронов также может зависеть от координаты х, что может привести к ошибкам в определении сечения взаимодействия электронов с частицами газа. Для уменьшения возможной ошибки необходимо расстояние между сетками - ано-,30 дами сделать сравнимым с расстоянием между катодом и коллектором. Однако ло технологическим и конструктивным прининам эти расстояния сделать равными нельзя, Для целей лабораторного практикума, точность определения вполне удовлетворительная, если расстояние между сетчатыми электродами 2, 3 больше или равно,0,85 расстояния между катодом 1 и коллектором 4.40При упругих соударениях электроны меняют направление своего движения.Большая их часть отклоняется на заметный угол и с первой попытки по пасть на коллектор не может (фиг.2).Несколько раз отражаясь в промежутке ,сетчатый электрод 3 - коллектор 4, электрон меняет направление движения и с большой вероятностью не доходйт до коллектора 4.Таким образом, в данном устройстве как неулругие, так и упругие соу- . дарения приводят к уменьшению коллекЪторного тока, так что при измерениях исследуется сечение взаимодействия электронов. 5 6Формула изобретения 1. Способ определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, заключающийся в облучении объема с исследуемымгазом ускоренными электронами, воздействии на электроны задерживающимэлектрическим полем, изменении давления исследуемого газа при фиксированной величине потенциала .задерживающего электрического поля и регистрации зависимости от давления исследуемЬго газа тока электронов, преодолевших задерживающее электрическое поле,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сцелью расширения информативности засчет определения сечения взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, в объеме с исследуемымгазом формируют эквипотенциальиуюобласть электрического поля, которуюоблучают ускоренными электронами, аизменение давления исследуемого газапри определении сечения взаимодействия производят, в диапазоне, в котором длина свободного пробега электронов Л ограничена пределами 1/ЗЬ(Я 6 Ь,где Ь - геометрический размер эквипотенциальной области,2. Способ по п.1, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что величину потенциала задерживающего электрическогополя устанавливают равной величинепотенциала ускоряющего электроныэлектрического поля.3. Устройство для определения характеристик взаимодействия электронов с атомами и молекулами газа, содержащее баллон с исследуемым газом, 1в котором осемимметрично размещенынитевидный катод, первый и второй цилиндрические сетчатые электроды, образующие измерительную камеру, и кол,лектор электронов, средства изменения и измерения давления исследуемого газа, о т л нч а ю щ е е с ятем, что первый и второй сетчатыеэлектроды электрически соединеныдруг с другом посредством торцовыхметаллических кольцевых дисков.4. Устройство по л.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что расстояниеЬ между цилиндрическими сетчатымиэлектродами удовлетворяет соотношению 0,85Ь/Ьс 1, где Ь - расстоя"ние между катодом н коллектором элек.тронов.1326005 Фиа Г игЗ К.Кононоввчук рректор А.Ильин оставител ехред А. К едакт агова Заказ 2489 роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Умгород, ул. Проектна Тираа 497 ВНИИПИ Государственн по делам изобретенн 3035, Москва, ЖПодписноео комитета СССРн открытийРаущская наб., д. 4/5