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Verfahren zum Analysieren und/oder Trennen von geladenen Teilchen
In der Atomphysik ist eine Reihe" von Verfahren bekanntgeworden,-elektrisch geladene
Teilchen durch passend angeordnete elektromagnetische Felder zu beschleunigen oder/und
sie auf bestimmte Bahnen zu bringen. Wesentlich ist dabei, daß die Teilchen mit
einer vorher zu bestimmenden Geschwindigkeit in entsprechende Bahnen eingeführt
werden. Schwankungen der Geschwindigkeit oder der Richtung führen zu starken Defokussierungen.
Beim Massenspek trograph wird durch besondere Maßnahmen (Blenden, passend gewählte
und gekrümmte elektrische und magnetische Felder) eine Fokussierung der bewegten
Teilchen auf einen Punkt erreicht.
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Die Bestimmung von Ladung/Masse kann außer mit dem Massenspektrographen
(schnell bewegte Teilchen) auch nach dem Verfahren von Millikan (langsam sinkende
Teilchen) erfolgen.
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Beide Verfahren sind aus bekannten Gründen nur geeignet, mit relativ
großen e/m Werten bzw. entsprechend sehr kleinen Massen zu arbeiten.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die technische Aufgabe gelöst;
elektrisch geladene Teilchen, und zwar nicht nur Elektronen oder Ionen, sondern
auch größere Partikeln aus einer Vielzahl von Molekülen in evakuierten geschlossenen
Kammern bzw. in offenen Anordnungen unter Atmosphärendruck auf Grund ihrer spezifischen
Ladung durch eine Stabilisierungswirkung im: elektrischen Feld zu analysieren und/oder
zu trennen.
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Der Erfinder fand nun, daß eine Stabilisierung (Lokalisierung) elektrisch
geladener Teilchen bis herab zu e/m - 10-5 As/g möglich ist, wenn
man die Teilchen angenähert in die Sattelpunkte axial-symmetrischer .oder eben-symmetrischer
Wechselpotentiale »einschießt«. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren werden
dabei die Teilchen selbsttätig eingefangen und konzentrieren sich im Sattelpunkt.
Sie bleiben dort, bis sie bei genügend großer Abweichung vom passenden e/m-Wert
entweder durch die Schwerkraft nach unten herausfallen oder nach oben herausgeschleudert
werden. Mit diesem Verfahren können somit geladene Teilchen analysiert und/oder
getrennt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Analysieren und/oder Trennen von
geladenen Teilchen auf Grund ihrer spezifischen Ladung, bei dem die Teilchen in
die Nähe eines Sattelpunktes eines elektrischen Wechselfeldes gebracht werden, ist
dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude des Wechselfedes zunächst auf einen Wert
eingeregelt wird, bei dessen Überschreitung die auf stabilen Bahnen im Wechselfeld
eingefangenen Teilchen bestimmter spezifischer Ladung jede stabile Bewegung sprunghaft
in Abhängigkeit von der Wechselspannung ändern (Sprungspannung) und daß danach die
Spannung des Wechselfeldes geändert wird, um die Stabilitätsbereiche der Teilchen
verschiedener spezifischer Ladung zu durchfahren.
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Weiter zeigte sich - ebenfalls entgegen den Erfahrungen mit den bisherigen
Beschleunigern (als Sammelbegriff) -, daß derart stabilisierte Teilchen bei Aufhebung
der Schwerkraft durch ein passend überlagertes Gleichfeld nicht etwa mit der Frequenz
der Wechselspannung schwingen, sondern mit f/2.
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Die Bewegung derart fixierter Teilchen läßt sich nun nicht mit den,
bisherigen mathematischen Verfahren ausrechnen, sondern führt auf nichtlineare Differentialgleichungen
mit periodischen Koeffizienten, für die bisher exakte Lösungen nicht gefunden werden
konnten.
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Da mit dem beschriebenen Verfahren Teilchen auch mit Massen von 10-s
g und mehr nicht nur im elektrischen Feld fixiert, sondern auch zu beliebigen Zeitpunkten-
(etwa durch Feldänderungen) daraus Wieder entfernt, untersucht und wieder eingeworfen
werden können, ergibt sich eine vielseite Anwendbarkeit für Untersuchungen von elm,
aber auch von e und m, wenn m aus Wägung oder dem Durchmesser bestimmt
wird.
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Ob Teilchen eingefangen werden oder nicht, hängt ab vom e/m-Wert;
der momentanen Feldstärke am jeweiligen Ort des Teilchens und der Frequenz. Es zeigte
sich, daß die »Stabilisierungskraft« unter sonst gleichen Umständen mit abnehmender
Frequenz zunächst wächst. Dies bedeutet, daß ein in das elektrostatische System
fallendes Teilchen bei niedriger Frequenz leichter eingefangen wird als bei höherer
Frequenz.
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Die elektrischen Kräfte, welche auf das Teilchen einwirken, rufen
eine Stabilisierung, d. h. eine regelrechte
Fixierung in einem
Punkt des elektrischen Feldes, nur bei einer bestimmten Feldstärke bzw. e/m-Werte
hervor. Angefangen von einer Minimalfeldstärke x ist eine Steigerung auf z. B. 3
x möglich, ohne daß sich die Lage des Teilchens ändert. Erst bei Überschreitung
dieses Wertes beginnt das Teilchen plötzlich eine lineare Schwingung mit halber
Frequenz auszuführen. Die Schwingungsamplitude ist dabei anfangs angenähert proportional
der Feldstärke. Dieser Schwingungseinsatz (»Sprungpunkt«) ist derart scharf definiert,
daß man mit seiner Hilfe Änderungen von elm in der Größenordnung von 10-4 ohne weiteres
feststellen kann.
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Ein axial-symmetrisches Feld mit Sattelpunkt zur Stabilisierung der
Teilchen kann z. B. dadurch erzeugt werden, daß eine dünne Metallplatte von (beispielsweise)
10 cm Durchmesser, 0,01 cm Dicke und einer konzentrischen Bohrung von 2 cm Durchmesser
einseitig an Wechselspannung gelegt wird, während der andere Pol der Wechselspannungsquelle
geerdet ist. In. diesem Fall bildet sich genau in der Mitte des Loches (in der Ebene
der Scheibe) ein Sattelpunkt des Potentials aus, in den ein eventuell vorbeifliegendes
Teilchen automatisch eingefangen wird. Es ist dabei selbstverständlich, daß.etwamehrere,
gleichnamig geladene Teilchen, die auch die Einfangbedingung erfüllen, sich wegen
ihrer gegenseitigen Abstoßung nicht genau im Sattelpunkt - des Potentials vereinigen,
sondern mit Abständen, die der Größe ihrer Ladung entsprechen.
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Hinsichtlich der Teilchengröße ist das erfindungsgemäße Verfahren
nicht beschränkt, jedenfalls nicht nach dem Gebiet der kleinen Teilchen. Es können
sowohl Elektronen, Ionen, schwarze Kerne »stabilisiert« werden als auch Teilchen
mit Massen von 10-5 g. Eine prinzipielle Grenze nach oben ist nur gegeben durch:
a) die mögliche maximale Feldstärke des elektrostatischen Systems, b) die maximale
Ladungsdichte auf dem Teilchen. Die durch .das erfindungsgemäße Verfahren erzielbaren
technischen Wirkungen ermöglichen noch andere Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens
außer zur Analyse und/oder Trennung von Teilchen auf Grund des Verhältnisses von
elm der Teilchen.
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Mit dem Verfahren ist auch die nahezu direktionskraftlose Aufhängung
von Teilchen in elektrischen Wechselfeldern möglich bzw. die Einstellung einer bestimmten,
meßbaren Direktionskraft durch das Wechselfeld selbst oder/und durch ein überlagertes
Gleichfeld. Hieraus ergeben sich weitere meßtechnische Anwendungen.