Filtro de velocidad

Un filtro de velocidad , según su desarrollador Wilhelm Wien también llamado Wienfilter , se utiliza principalmente en el haz de partículas de la fuente de iones o la fuente de electrones , solo aquellas partículas que dejan pasar a través del filtro que tienen una cierta velocidad mientras que todos los demás filtros no pueden pasar. . El flujo de partículas resultante tiene una velocidad definida con precisión. También se puede utilizar un filtro de velocidad para determinar la velocidad de partículas cargadas desconocidas.

Estructura y funcionalidad

Funcionamiento cualitativo del filtro de velocidad

Equilibrio de fuerzas de la carga en movimiento

Las partículas cargadas eléctricamente se envían a través de un condensador de placa , que a su vez está completamente dentro de un campo magnético homogéneo . Todos los parámetros vectoriales de esta disposición (el campo eléctrico generado por el condensador, el campo magnético y la trayectoria de la partícula cargada) son perpendiculares entre sí (" regla de los tres dedos ").

Si las partículas cargadas positivamente vienen de la izquierda, como en la imagen adyacente, son desviadas hacia abajo por la fuerza eléctrica y hacia arriba por la fuerza de Lorentz . Si ambas fuerzas son iguales, la fuerza total es cero y las partículas vuelan en línea recta. Dado que la fuerza de Lorentz es proporcional a la velocidad, solo las partículas de cierta velocidad permanecen en una trayectoria recta en el filtro, todas las demás partículas se desvían hacia arriba o hacia abajo y pueden ser interceptadas por una pantalla en la salida.

Dado que ambas fuerzas solo actúan sobre partículas cargadas, es posible que las partículas primero tengan que ionizarse (por ejemplo, mediante un arco eléctrico).

Consideración matemática

El peso de la partícula puede despreciarse en todos los cálculos debido a su pequeño tamaño.

A continuación, la condición para que la partícula no se desvíe se deriva con:

• B : densidad de flujo magnético
• E : intensidad del campo eléctrico
• q : carga eléctrica
• v : velocidad

Visualización escalar

Hay un equilibrio de fuerzas y, por lo tanto, un cruce directo del filtro si se aplica lo siguiente a la fuerza eléctrica y la fuerza de Lorentz : ${\ Displaystyle F _ {\ text {C}}}$${\ Displaystyle F _ {\ text {L}}}$

${\ Displaystyle \, F _ {\ text {C}} = F _ {\ text {L}}}$

${\ Displaystyle q \, E = q \, v \, B}$

${\ Displaystyle E = v \, B}$

Esto da como resultado la velocidad de paso:

${\ Displaystyle v = {\ frac {E} {B}} = {\ frac {\ left | {\ vec {E}} \ right |} {\ left | {\ vec {B}} \ right |}} }$

Con el uso del producto vectorial

Con la ayuda de la segunda ley de Newton, lo siguiente se aplica al movimiento en el campo :

${\ Displaystyle \ sum {\ vec {F}} = m \, {\ dot {\ vec {v}}} = m \, {\ vec {a}} = q \, ({\ vec {E}} + {\ vec {v}} \ times {\ vec {B}})}$

Significa no distracción . ${\ Displaystyle \ sum {\ vec {F}} = m \, {\ vec {a}} = 0}$

${\ Displaystyle q \, {\ vec {E}} = - q \, ({\ vec {v}} \ times {\ vec {B}})}$

Dado que la velocidad, el campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre sí, se aplica lo siguiente:

${\ Displaystyle v = {\ frac {\ left | {\ vec {E}} \ right |} {\ left | {\ vec {B}} \ right |}}}$

Areas de aplicación

Uso de un filtro de Viena en un espectrómetro de masas

Para filtrar partículas a una cierta velocidad, los campos magnético y eléctrico deben ajustarse en consecuencia. La velocidad de las partículas que pueden pasar por el filtro de Viena a una determinada densidad de flujo magnético o intensidad de campo eléctrico se puede determinar utilizando la relación derivada anteriormente.

La masa y la carga de las partículas no juegan ningún papel en la función del filtro, como se puede ver en las fórmulas.

En un espectrómetro de masas, un filtro de velocidad suele seleccionar partículas de una determinada velocidad (conocida) de un haz de iones para luego poder separar las diferentes masas, por ejemplo, mediante un campo magnético.

Los filtros de velocidad se utilizan a menudo en aceleradores de partículas . Junto con otros filtros electrostáticos y magnéticos, forman un sistema a menudo complejo para la selección de partículas de cierta masa, carga y velocidad.

enlaces web

• freepatentsonline: filtro de Viena, patente de los Estados Unidos 4019989 (inglés)
• Applet de Java para demostrar un filtro de Wien

Evidencia individual

1. ↑ Apuntes de conferencias en la Universidad de Essen (p. 13) (PDF; 1,7 MB)