電子儀器中利用勻強磁場的有哪些

⑴ 質譜儀的原理

質譜儀是一種分析各種同位素並測量其質量及含量百分比的儀器。當一束帶電的原子核通過質譜儀中的電場和磁場時，凡其荷質比不相等的，便被分開。S1和S2為兩個狹縫，從離子源引出的離子受到施於S1及S2間的電位差，在通過S1
的勻強磁場區。進入磁場時的速度由下式
v²=2（q/m）v (1)
決定。正離子在這一磁場中運動時其軌道如圖中所示半徑為r的圓。當離子走過一半圓而抵達照相底片P時會在它上面留下痕跡。由軌道半徑r=mv/qB（見洛侖茲力），得
v=qb^r/m
合並(1)、(2)式，消去v，即得q/m=2v/b²r²

因為V、B及r可直接測量得到，所以如果我們能夠用其他方法決定離子所帶的電荷q，則由上式便可求出離子的質量.
我們可以用質譜儀將電荷相同而質量不同的離子分開。科學家應用這種儀器在1920年左右發現了同種化學元素的原子其質量可以不相同；這些質量不同的同一種元素的原子被稱為同位素。湯姆遜首先利用電磁場測定電子的荷質比的原理，同樣可運用到帶正電的離子，從荷質比很容易算出該離子的質量。正離子通常帶電量等於一個電子（稱為單電荷離子）。但有時也帶有兩個、三個甚至四個電子電量（稱為多電荷離子）。目前應用的質譜儀是非常精確的儀器，它不但可以測量出每種同位素之准確質量，並可測定每種同位素在元素中所佔的百分比。如將這種儀器略加修改，也可應用到同位素分離。質譜儀的形式很多，但所應用的主要原理及結構卻大同小異。圖3-32所示是一台現代用質譜儀的主要裝置部分。這裝置是在真空中，正離子流自離子源引出經過窄隙S進入一曲圓形之電場C1C2，調節C1C2之間的電壓，可選擇一定能量之正離子，這些正離子隨著電場之形狀彎曲90°而進入一個半圓形的勻強磁場中，磁場的方向與圖面垂直且指向紙內，進入磁場之正離子受磁力作用而沿半圓形軌道進行。因正離子e/m之大小不同，軌道形成大小不等的半圓。分別落在底片上的不同位置也就是說元素將按其質量大小的順序而排列，故稱之為「質譜」。如果我們分別測出每種粒子的電流。就能從這些電流大小的比例中，得出該種在離子源中被電離的物質的各種同位素的成分比例。它也可以把化合物中的不同物質的離子分開和成分分析。

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⑵ 電子自旋共振譜儀

ESR譜儀是觀測電子自旋共振現象的儀器，它主要由磁鐵系統、微波源系統、諧振腔和信號檢測系統等部分組成。ESR譜儀的基本結構如圖86.15所示。

圖86.15 ESR譜儀的基本結構

(1)磁鐵系統

一般由電磁鐵、磁鐵電源和磁場控制器組成。諧振腔內必須提供絕對均勻的磁場，且磁場是穩定和連續可調的。磁場控制器控制磁鐵電源的輸出電流調節電磁鐵的磁場強度，在感興趣的磁場范圍內恆定地掃描磁場強度。

電磁鐵是用軟磁性材料(純鐵、鐵硅合金、鐵鎳合金等)作為鐵芯，在通電的激勵線圈作用下產生磁場，其磁場強度的大小可隨激勵線圈中的電流變化而改變。磁鐵電源的作用是把電網的交流電經整流、濾波、穩壓和穩流後作為直流電源供給電磁鐵。

(2)微波系統

由微波源、波導、衰減器、調配器、隔離器和自動頻率控制系統組成。

在ESR譜儀中，常用的微波源是反射速調管或Gunn二極體振盪器。一般速調管的輸出功率約為20～500mW，常用的是200mW。波導是用金屬製成矩形或圓形的管子，內部光滑並進行鍍金，當電磁波頻率在3GHz以上時，常用波導管來傳輸電磁波。衰減器用來衰減輸出的微波功率，由於波導管內各處微波電場強弱不同，因而改變衰減片在波導中所處的位置，可得到不同的衰減量。調配器的作用是使波導中傳輸的微波達到匹配，在微波傳輸過程中，遇到不均勻或不連續性就要引起傳輸電磁波的反射，為了克服電磁波傳輸中已存在的反射，在傳輸線中人為地加入某個不均勻或不連續因素，使其產生的反射與存在的反射大小相等，相位相反，達到匹配的目的。隔離器是用鐵氧體材料製成的微波器件，鐵氧體是由鐵的氧化物和其他二價金屬氧化物混合燒制而成的磁性材料，在使用時對隔離器的要求是正向傳輸的電磁波衰減越小越好，反射的電磁波衰減越大越好，這樣可以降低反射的微波對微波源的影響，使微波源工作穩定。自動頻率控制系統控制微波頻率不發生變化，它是將振盪器的頻率與另一標准頻率比較，當發現兩者存在偏差時自動控制系統就會自動地減小這種偏差，使震盪的頻率始終穩定在標准頻率上。

(3)諧振腔

諧振腔是ESR譜儀的核心部件。被測樣品置於諧振腔內，諧振腔能把微波能量集中於腔中的樣品處，並使其在外磁場作用下產生共振吸收。

諧振腔是由一段兩端用金屬片封閉的矩形或圓形波導構成，封閉片上開一小孔，微波通過此耦合孔傳輸。在諧振腔內，電磁波在短路端反射形成駐波，所以諧振腔相當於一個放大器，能在腔內建立高功率密度的微波場。

(4)信號檢測系統

檢測系統主要部件是檢波器，ESR譜儀的檢波器大多採用微波晶體二極體，它能把反射出來的微波能量轉換成直流，共振吸收就是以檢波電流的變化來表現的。由於檢波器輸出的直流電流非常小，必須經過多級放大。對於直流信號放大而言，信噪比是一個致命的弱點。因此一般的ESR譜儀都裝有中頻調制系統，常用的調制頻率是100kHz，在諧振腔內加裝一個100kHz的線圈，在慢速掃描的主磁場上疊加一個中頻調制磁場，這樣，檢波器輸出的信號就不再是一個直流而是一個振幅被調制的100kHz中頻電流，通過中頻放大器放大，就可使信噪比大大提高。

ESR譜儀是高技術產品，目前國內還不能生產。國內許多大學和科研所都引進了ESR譜儀，主要有3種:日本電子公司(JEOL)、德國BRUKER公司和美國VARIAN公司。

⑶ 什麼叫亥姆霍茲線圈，此線圈的磁場分布有何特點

亥姆霍茲線圈是一種製造小范圍區域均勻磁場的器件。由於亥姆霍茲線圈具有開敞性質，很容易地可以將其它儀器置入或移出，也可以直接做視覺觀察，所以，是物理實驗常使用的器件。

特點：空間開闊，使用方便；磁場與供電電流有很好的線性關系；使用磁場空間有很寬的均勻區；適於製造一維、二維和三維空間組合磁場。

(3)電子儀器中利用勻強磁場的有哪些擴展閱讀：

關於在空間任意位置的精確磁場計算，需要應用到貝索函數或橢圓函數與其相關技巧。沿著線圈的中心軸（z-軸），涉及到的計算比較簡單，可以應用泰勒展開，將磁場展開為z的冪級數。

採用直角坐標系，以亥姆霍茲線圈的中心位置為z-軸的原點O。由於對於xy-平面的對稱性，奇數冪項目必等於零。經過調整兩個線圈之間的距離h，可以使得O點成為拐點，則可以保證z2級項目為零，因此領先不均勻項目是z4級項目。