在芯片制造过程中,离子注入是其中一道重要的工序。如图,是离子注入工作原理示意图,正离子质量为m,电荷量为q,经电场加速后沿水平方向进入速度选择器,然后通过磁分析器,选择出特定比荷的正离子,经偏转系统后注入处在水平面上的晶圆(硅片)。速度选择器、磁分析器和偏转系统中匀强磁场的磁感应强度大小均为B。方向均垂直纸向外;速度选择和偏转系统中匀强电场的电场强度大小均为E,方向分别为竖直向上和垂直纸面向外。磁分析器截面是内外半径分别为R1和R2的四分之一圆弧,其两端中心位置M和N处各有一小孔;偏转系统中电场和磁场的分布区域是一棱长为L的正方体,晶圆放置在偏转系统底面处。当偏转系统不加电场和磁场时,正离子恰好竖直注入到晶圆上的O点,O点也是偏转系统底面的中心。以O点为原点建立xOy坐标系,x轴垂直纸面向外。整个系统处于真空中,不计正离子重力,经过偏转系统直接打在晶圆上的正离子偏转的角度都很小,已知当α很小时,满足:sinα=α,![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/dae8cb6728f0524a84e1e3c200c3d19f.png)
(1)求正离子通过速度选择器后的速度大小v及磁分析器选择出的正离子的比荷
;
(2)当偏转系统仅加电场时,设正离子注入到晶圆上的位置坐标(x1,y1),求x1;
(3)当偏转系统仅加磁场时,设正离子注入到晶圆上的位置坐标为(x2,y2),请利用题设条件证明:y2=x1
(4)当偏转系统同时加上电场和磁场时,求正离子注入到晶圆上的位置坐标(x3,y3),并简要说明理由。
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/dae8cb6728f0524a84e1e3c200c3d19f.png)
(1)求正离子通过速度选择器后的速度大小v及磁分析器选择出的正离子的比荷
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9da659de03afffb155aaa89e6d1f7e70.png)
(2)当偏转系统仅加电场时,设正离子注入到晶圆上的位置坐标(x1,y1),求x1;
(3)当偏转系统仅加磁场时,设正离子注入到晶圆上的位置坐标为(x2,y2),请利用题设条件证明:y2=x1
(4)当偏转系统同时加上电场和磁场时,求正离子注入到晶圆上的位置坐标(x3,y3),并简要说明理由。
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更新时间:2021-04-10 15:52:29
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【知识点】 基于速度选择器的质谱仪
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解答题
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较难
(0.4)
【推荐1】我国自行设计研制的热核聚变全超导托卡马克实验装置再次创造了该类实验装置运行的世界新纪录。此装置在运行过程中,需要将加速到较高速度的离子束转变成中性粒子束,而其中还未被中性化的高速带电离子则需通过过滤装置过滤出来并剥离。所用到的过滤装置工作原理简图如图所示,混合粒子束先通过加有一定电压的两极板之间区域后,再进入极板下方的偏转磁场中,此过程中中性粒子仍会沿原方向运动并被接收器接收;而带电离子中的一部分则会先在两极板间的电场作用下发生偏转,一部分直接打在下极板,另一部分则会在穿过板间电场后进入其下方的匀强磁场
区域,进一步发生磁偏转并打在吞噬板上,从而剥离吸收。已知这些带电离子电荷量为
(
),质量为m,两极板间距为d,所加电压为U,极板长度为2d,粒子束中所有粒子所受重力均可忽略不计,不考虑粒子间的相互作用。
(1)要使初速度为
的离子能沿平行于极板的直线经过电场区域,需在极板间再施加一垂直于纸面的匀强磁场,求其磁感应强度
的大小和方向;
(2)若带电离子以初速度
沿直线通过极板区域后,进入下方垂直纸面向外的匀强偏转磁场
区域。当磁感应强度
时,要使离子能全部被吞噬板吞噬,求吞噬板所需的最小长度
;
(3)若粒子束中带电粒子为初速度
,且撤去了两极板间的磁场
,则有部分带电离子会通过两极板间的偏转电场进入偏转磁场,已知磁场的磁感应强度
大小可调,且分布范围足够宽广,吞噬板
并紧靠左极板水平放置。若要保证进入偏转磁场的带电粒子最终都能被吞噬板吞噬,求磁感应强度
大小的取值范围。
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/43a71fc9c0068109dad1382354570665.png)
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9aa8a716a31b0f51b70fdf9bdb257909.png)
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(1)要使初速度为
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![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/97c01fdc7bc471af0b264a04aef0823e.png)
(2)若带电离子以初速度
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(3)若粒子束中带电粒子为初速度
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较难
(0.4)
【推荐2】如图所示是某种质谱仪的结构简化图。质量为m、电荷量为
的粒子束恰能沿直线通过速度选择器,并从半圆环状D形盒的中缝垂直射入环形匀强磁场区域,磁场方向垂直纸面向里。D形盒的外半径为
,内半径为R,壳的厚度不计,出口M、N之间放置照相底片,底片能记录粒子经过出口时的位置。已知速度选择器中电场强度大小为E,方向水平向左,磁感应强度大小为B(磁场方向未画出)。不计粒子重力,若带电粒子能够打到照相底片,求:
(1)B的方向以及粒子进入D形盒时的速度大小;
(2)D形盒中的磁感应强度
的大小范围;
(3)打在底片M点的粒子在D形盒中运动的时间。
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![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/9e7f30167e1135806fe9de641870b1e6.png)
(1)B的方向以及粒子进入D形盒时的速度大小;
(2)D形盒中的磁感应强度
![](https://staticzujuan.xkw.com/quesimg/Upload/formula/c41d793c851a2f72f787913ba23e459c.png)
(3)打在底片M点的粒子在D形盒中运动的时间。
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较难
(0.4)
【推荐3】质谱仪的原理图如图所示,由加速电场、速度选择器和偏转磁场组成。在速度选择器中存在相互垂直的匀强电场和匀强磁场(图中未画出)。偏转磁场是一个以直线MN为边界、方向垂直纸面向外、磁感应强度大小为B2的匀强磁场。一电荷量为q质量为m的带正电的粒子从静止开始经过加速电场后,进入速度选择器,并能沿直线穿过速度选择器,从A点垂直MN进入偏转磁场。带电粒子经偏转磁场后,最终到达照相底片的C点。已知速度选择器中的电场方向水平向右、电场强度大小为E,A点到C点的距离为x,带电粒子所受的重力可忽略不计。求:
(1)速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向;
(2)加速电场的电势差U。
(1)速度选择器中匀强磁场的磁感应强度B1的大小和方向;
(2)加速电场的电势差U。
![](https://img.xkw.com/dksih/QBM/editorImg/2023/10/7/480ad899-12db-446e-b674-09a51e14cef6.png?resizew=281)
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