Der Massenspektrograph und das ZyklotronVon Ivo Lazov und Felix Winterstein

14.05.2003

Inhaltsverzeichnis

Der Massenspektrograph Aufbau Funktionsprinzip / Anwendungsmöglichkeiten Rechenbeispiel

Das Zyklotron Aufbau Funktionsprinzip Anwendungsmöglichkeiten Zur Relativitätstheorie

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

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.

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

Das Magnetfeld

Schraffiert dargestellt ist hier ein Magnetfeld, welches senkrecht zur Bildebene steht. Der Kanalstrahl wird aufgrund der Lorentzkraft nach links abgelenkt.

Der Aufbau

Massenspektrogramm

Ein Rechenbeispiel

Das Zyklotron

Von Ivo Lazov

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.

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

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)

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)

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

Größenbestimmungen

r

vmF

2

rBQ

W mk

22

2

2

1

v

rt

2Umlaufzeit:

Radialkraft:

Kinetische Energie:

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

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

Rechnung

Zeitdauer:

TC

kgtn 5,1106,1

1067,114,3220019

27

s74,8

stn610.74,8

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