Question

飞行时间质谱仪可以对气体分子进行分析。如图所示，在真空状态下，脉冲阀P喷出微量气体，经激光照射产生不同价位的正离子，自a板小孔进入a、b间的加速电场，从b板小孔射出，沿中线方向进入M、N板间的偏转控制区，到达探测器。已知元电荷电量为e，a、b板间距为d，极板M、N的长度和间距均为L。不计离子重力及进入a板时的初速度。
（1）当a、b间的电压为U₁时，在M、N间加上适当的电压U₂，使离子到达探测器。请导出离子的全部飞行时间与比荷K（K＝ne/m）的关系式。
（2）去掉偏转电压U₂，在M、N间区域加上垂直于纸面的匀强磁场，磁感应强度B，若进入a、b间所有离子质量均为m，要使所有的离子均能通过控制区从右侧飞出，a、b间的加速电压U₁至少为多少？

Answer 1

解：（1）由动能定理：
n价正离子在a、b间的加速度：
在a、b间运动的时间：d
在MN间运动的时间：
离子到达探测器的时间：t＝t₁＋t₂＝
（2）假定n价正离子在磁场中向N板偏转，洛仑兹力充当向心力，设轨迹半径为R，由牛顿第二定律得：

离子刚好从N板右侧边缘穿出时，由几何关系：R²＝L²＋(R－L/2)²
由以上各式得：
当n＝1时U₁取最小值