质谱仪是分析研究同位素的重要仪器。如图甲为某质谱仪的截面图,速度很小的带电粒子从O点进入电压为的加速电场,加速后经狭缝进入磁感应强度为的速度选择器,沿直线运动从狭缝S垂直直线边界MN进入磁分析器,速度与磁感应强度为的匀强磁场垂直,经偏转最终打在照相底片上。粒子质量为m、电荷量为q。不计粒子重力。求:
(1)速度选择器中匀强电场的场强大小E;
(2)和是互为同位素的原子核,若保持、、不变,改变E,原子核、沿直线通过速度选择器,最终打到照相底片的位置到狭缝S的距离之比为k,则、的质量之比;
(3)某次实验,由于加速电场和速度选择器场强出现微小波动,并考虑狭缝S有一定的宽度且为d,使得粒子从S射出时速度大小在,方向与边界MN垂直线间的夹角范围为,如图乙所示,则粒子打在照相底片上沿MN方向的宽度为多少?
(1)速度选择器中匀强电场的场强大小E;
(2)和是互为同位素的原子核,若保持、、不变,改变E,原子核、沿直线通过速度选择器,最终打到照相底片的位置到狭缝S的距离之比为k,则、的质量之比;
(3)某次实验,由于加速电场和速度选择器场强出现微小波动,并考虑狭缝S有一定的宽度且为d,使得粒子从S射出时速度大小在,方向与边界MN垂直线间的夹角范围为,如图乙所示,则粒子打在照相底片上沿MN方向的宽度为多少?
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更新时间:2024-05-15 13:54:04
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(0.4)
【推荐1】如图所示,一种新型质谱仪原理图,离子源S中飘出初速度为零的离子,经间的电场加速后,沿轴线进入图中虚线所示的圆形匀强磁场区域。圆形匀强磁场半径为,磁场区域的右下部分圆周边界处安装有接收底片,P在的正下方,与同在轴线上。一个质量为的一价正离子从离子源飘入电场,最后恰好打在点。已知元电荷为e,间电压为,离子重力忽略不计。
(1)求圆形区域中磁感应强度的大小;
(2)因放置失误,导致磁场区域整体向下移动,使磁场区域圆心偏离轴线,,求此情况下氢离子打在底片上的位置。(用该位置到点的连线与轴线所成的角度表示);
(3)若在离子源中放入质量为、的一价正离子,的电压波动范围为,若要这两种离子在底片上的位置不重叠时,应满足的条件。
(1)求圆形区域中磁感应强度的大小;
(2)因放置失误,导致磁场区域整体向下移动,使磁场区域圆心偏离轴线,,求此情况下氢离子打在底片上的位置。(用该位置到点的连线与轴线所成的角度表示);
(3)若在离子源中放入质量为、的一价正离子,的电压波动范围为,若要这两种离子在底片上的位置不重叠时,应满足的条件。
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【推荐2】一种质谱仪的结构可简化为如图所示,粒子源释放出初速度可忽略不计的和,粒子经直线加速器加速后由通道入口的中缝MN进入磁场区。该通道的上下表面是内半径为R、外半径为3R的半圆环。该通道置于竖直向上的匀强磁场中,正对着通道出口处放置一块照相底片,能记录粒子从出口射出时的位置。当直线加速器的加速电压为U0,沿左侧通道中心线MN射入磁场区,且恰好能击中照相底片的正中间位置,已知比荷为,则
(1)匀强磁场的磁感应强度B;
(2)照相底片上和所击中位置间的距离;
(3)考虑加速电压有波动,在(U0-ΔU)到(U0 +ΔU)之间变化,若要和在底片上没有重叠区域,求ΔU满足的条件。
(1)匀强磁场的磁感应强度B;
(2)照相底片上和所击中位置间的距离;
(3)考虑加速电压有波动,在(U0-ΔU)到(U0 +ΔU)之间变化,若要和在底片上没有重叠区域,求ΔU满足的条件。
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【推荐3】有一种“双聚焦分析器”质谱仪,工作原理如图所示。加速电场的电压为U,静电分析器中有会聚电场,即与圆心O1等距各点的电场强度大小相同,方向沿径向指向圆心O1,磁分析器中以O2为圆心、圆心角为90°的扇形区域内,分布着方向垂直于纸面向外的匀强磁场,其左边界与静电分析器的右边界平行。由离子源发出一个质量为m、电荷量为q的正离子(初速度为零, 重力不计);经加速电场加速后,从M点沿垂直于该点的电场方向进入静电分析器,在静电分析器中,离子沿半径为R的四分之一圆弧轨道做匀速圆周运动,并从N点射出静电分析器。而后离子由P点沿着既垂直于磁分析器的左边界,又垂直于磁场方向射入磁分析器中,最后离子沿垂直于磁分析器下边界的方向从Q点射出,并进入收集器,测量出Q点与圆心O2的距离为d。(题中的U、m、q、R、d都为已知量)
(1)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小;
(2)求磁分析器中磁感应强度B的大小;
(3)现将离子换成质量为2m ,电荷量为0.5q的另一种正离子,其它条件不变。磁分析器空间足够大,离子不会从圆弧边界射出,求:该离子进入磁分析器的位置P以及离开磁分析器的位置Q到O2的距离。
(1)求静电分析器中离子运动轨迹处电场强度E的大小;
(2)求磁分析器中磁感应强度B的大小;
(3)现将离子换成质量为2m ,电荷量为0.5q的另一种正离子,其它条件不变。磁分析器空间足够大,离子不会从圆弧边界射出,求:该离子进入磁分析器的位置P以及离开磁分析器的位置Q到O2的距离。
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【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。如图所示是离子注入工作原理示意图,离子经加速后沿水平方向进入速度选择器,然后通过磁分析器,选择出特定比荷的离子,经偏转系统后注入处在水平面内的晶圆(硅片)。速度选择器、磁分析器和偏转系统中的匀强磁场的磁感应强度大小均为B,方向均垂直纸面向外;速度选择器和偏转系统中的匀强电场场强大小均为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的四分之圆环,其两端中心位置M和N处各有一个小孔;偏转系统中电场和磁场的分布区域是同一边长为L的正方体,其底面与晶圆所在水平面平行,间距也为L。当偏转系统不加电场及磁场时,离子恰好竖直注入到晶圆上的O点(即图中坐标原点,x轴垂直纸面向外)。整个系统置于真空中,不计离子重力,打在晶圆上的离子,经过电场和磁场偏转的角度都很小。当很小时,有。求
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v和磁分析器选择出来离子的比荷;
(2)偏转系统仅加电场时离子注入晶圆的位置,用坐标(x,y)表示;
(3)偏转系统仅加磁场时离子注入晶圆的位置,用坐标(x,y)表示。
(1)离子通过速度选择器后的速度大小v和磁分析器选择出来离子的比荷;
(2)偏转系统仅加电场时离子注入晶圆的位置,用坐标(x,y)表示;
(3)偏转系统仅加磁场时离子注入晶圆的位置,用坐标(x,y)表示。
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【推荐2】在芯片制造过程中,离子注入是其中一道重要的工序。如图所示的是离子注入原理的示意图,离子经电场加速后沿水平方向进入速度选择器,速度为的离子射出后进入磁分析器Ⅰ,只有特定比荷的离子才能进入偏转系统Ⅱ,再注入水平放置的硅片上。磁分析器Ⅰ中的匀强磁场的磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向外,磁分析器Ⅰ的截面是矩形,矩形的长为,宽为,在其宽和长的中心位置C和D处各有一个小孔;半径为L的圆形偏转系统Ⅱ内存在垂直于纸面向外、磁感应强度大小可调的匀强磁场,D、M、N在一条竖直直线上,为圆形偏转系统的直径,最低点M到硅片的距离,不计离子重力。
(1)求能通过D点进入磁偏转系统的离子的比荷;
(2)若偏转系统磁感应强度大小的取值范周为,求硅片上离子往入的宽度。
(1)求能通过D点进入磁偏转系统的离子的比荷;
(2)若偏转系统磁感应强度大小的取值范周为,求硅片上离子往入的宽度。
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【推荐3】质谱仪在同位素分析、化学分析、生命科学分析中有广泛的应用。如图为一种单聚焦磁偏转质谱仪工作原理示意图,在以O为圆心,OH为对称轴,夹角为2α的扇形区域内分布着方向垂直纸面的匀强磁场。离子源S产生的各种不同正离子束(速度可看成零),经加速电压U0加速后,从A点进入偏转电场,如果不加偏转电压,比荷为的离子将沿AB垂直磁场左边界进入扇形磁场,经过扇形区域,最后从磁场右边界穿出到达收集点D,其中,,B点是MN的中点,收集点D和AB段中点对称于OH轴;如果加上一个如图所示的极小的偏转电压,该离子束中比荷为的离子都能汇聚到D点。试求:
(1)离子到达A点时的速度大小;
(2)磁感应强度的大小和方向;
(3)如果离子经过偏转电场后偏转角为,其磁场中的轨道半径和在磁场中运动的时间。
(1)离子到达A点时的速度大小;
(2)磁感应强度的大小和方向;
(3)如果离子经过偏转电场后偏转角为,其磁场中的轨道半径和在磁场中运动的时间。
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