如图所示的质谱仪由粒子室、加速电场、速度选择器和偏转磁场四部分组成。加速电场的加速电压为U,速度选择器中的电场强度为E,磁感应强度为(未知),磁场方向垂直纸面向里。粒子室内充有大量和,粒子从狭缝飘入加速电场的初速度不计,经加速电场加速后从狭缝垂直于电场及磁场进入速度选择器中,沿直线通过速度选择器,从O点垂直于偏转磁场的边界射入偏转磁场。自O点正下方某点垂直于偏转磁场边界射入偏转磁场。在偏转磁场边界处放置两个粒子收集装置(图中未画出),收集两种粒子。不计粒子的重力、粒子间的相互作用。设质子和中子的质量均为m,质子的电荷量为e。求:
(1)速度选择器中磁场的磁感应强度;
(2)速度选择器板长L;
(3)如果右侧磁场的磁感应强度也为,求两种粒子收集装置的距离d。
(1)速度选择器中磁场的磁感应强度;
(2)速度选择器板长L;
(3)如果右侧磁场的磁感应强度也为,求两种粒子收集装置的距离d。
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更新时间:2023-10-23 16:55:15
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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)
名校
【推荐1】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,
(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。
(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。
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(0.4)
【推荐2】离子注入是芯片制造中一道重要工序,如图是其工作示意图,离子源发出质量为m的离子沿水平方向进入速度选择器,然后从M点进入磁分析器(截面为内外半径分别为和的四分之一圆环),从N点射出,M、N分别为磁分析器边界和边界的中点,接着从棱长为L的正方体偏转系统上表面中心沿竖直注入,偏转后落在与偏转系统底面平行的距离为的水平面晶圆上(O为坐标原点)。已知各器件的电场强度均为E,磁感应强度均为B,偏转系统中的电场、磁场方向与晶圆面x轴正方向同向。不计离子重力,打在晶圆上的离子,经过偏转系统的角度都很小。当很小时,有。求:
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v及磁分析器选择出来离子的电荷量;
(2)偏转系统仅加电场时,离子在穿出偏转系统整个过程中电势能的变化量;
(3)偏转系统仅加磁场时,离子注入晶圆的位置坐标(用、及L表示)。
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v及磁分析器选择出来离子的电荷量;
(2)偏转系统仅加电场时,离子在穿出偏转系统整个过程中电势能的变化量;
(3)偏转系统仅加磁场时,离子注入晶圆的位置坐标(用、及L表示)。
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(0.4)
名校
【推荐3】如图为质谱仪工作原理图,离子从电离室A中的小孔S1逸出(初速度不计),经电压为U的加速电场加速后,通过小孔S2和S3,从磁场上边界垂直于磁场方向进入磁感应强度为B匀强磁场中,运动半个圆周后打在接收底版D上并被吸收.对于同一种元素,若有几种同位素时,就会在D上的不同位置出现按质量大小分布的谱线,经过分析谱线的条数、强度(单位时间内打在底版D上某处的粒子动能)就可以分析该种元素的同位素组成.
(1)求比荷为的粒子进入磁场的速度大小;
(2)若测得某种元素的三种同位素a、b、c打在底版D上的位置距离小孔S3的距离分别为L1、L2、L3,强度分别为P1、P2、P3,求:
①三种同位素a、b、c的粒子质量之比m1:m2:m3;
②三种同位素a、b、c在该种元素物质组成中所占的质量之比M1:M2:M3.
(1)求比荷为的粒子进入磁场的速度大小;
(2)若测得某种元素的三种同位素a、b、c打在底版D上的位置距离小孔S3的距离分别为L1、L2、L3,强度分别为P1、P2、P3,求:
①三种同位素a、b、c的粒子质量之比m1:m2:m3;
②三种同位素a、b、c在该种元素物质组成中所占的质量之比M1:M2:M3.
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