Geschwindigkeitsfilter
Physik
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Basiswissen
Ein Geschwindigkeitsfilter, auch Wienscher Filter genannt, kann aus einem Strahl verschieden schneller, elektrisch geladener Teilchen solche Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit abscheiden. Teilchen ohne die gewünschte Geschwindigkeit werden absorbiert. Das ist hier kurz vorgestellt.
Grundprinzip
Elektrisch geladene Teilchen werden sowohl von einem rein elektrostatischen Feld abgelenkt, wie auch von einem rein magnetischen Feld. Wichtig ist nun die Rolle der Geschwindigkeit für die Stärke der ablenkenden Kraft. Für elektrostatische Felder hat die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchen keinen Einfluss auf die Stärke der ablenkenden Kraft. Bei einem reinem Magnetfeld hingegen ist die ablenkende Kraft umso stärker, je schneller ein Teilchen ist. Diese unterschiedliche Wirkung der Geschwindigkeit auf die Stärke der ablenkenden Kraft des Magnetfeldes nutzt man für das Wirkungsprinzip eines Geschwindigkeitsfilter.
DEFINITION:
"Der Wien-Filter ist ein Abscheider für geladene Teilchen mit einem gekreuzten elektrischen und magnetischen Feld (ExB). Eine Ionenart von Interesse mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufgrund ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses passiert den Wien-Filter geradlinig, alle anderen Arten werden abgelenkt und zwischen den Wien-Filter-Öffnungen absorbiert." [1]
"Der Wien-Filter ist ein Abscheider für geladene Teilchen mit einem gekreuzten elektrischen und magnetischen Feld (ExB). Eine Ionenart von Interesse mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufgrund ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses passiert den Wien-Filter geradlinig, alle anderen Arten werden abgelenkt und zwischen den Wien-Filter-Öffnungen absorbiert." [1]
Die physikalischen Grundprinzipien sind die Kräfte auf bewegte Ladungen in einem elektrischen (E-Feld) und einem magnetischen Feld (B-Feld). Das Formelzeichen E steht für die Stärke des elektrischen Feldes in N/C oder V/m. Das Formelzeichen B steht für die sogenannte magnetische Flussdichte mit der Einheit Tesla.
- E in V/m ist die 👉 elektrische Feldstärke
- B in T ist die 👉 magnetische Flussdichte
Die Wirkung von E- und-B Feldern auf elektrische Ladungen wird heute in einer Formel zusammengefasst. Siehe dazu den Artikel zur sogenannten 👉 Lorentzkraft
Bauliche Umsetzung
Ein Plattenkondensator wird in ein homogenes Magnetfeld platziert. Die Feldlinien des elektrischen und des magnetischen Feldes müssen dabei senkrecht zueinander stehen. Nun schießt man elektrisch geladene Teilchen so in das gemeinsame Feld, dass auch die Bewegungsrichtung der geladenen Teilchen sowohl senkrecht zu den Magnetfeldlinien als auch senkrecht zu den Linien des elektrischen Feldes steht. Man hat die Feldstärken vorher so aufeinander abgestimmt, dass nur bei einer bestimmten Geschwindigkeit eines Teilchen die ablenkenden Kräfte des elektrischen und des magnetischen Feldes gleich stark sind. Und nur Teilchen mit genau dieser passenden Geschwindigkeit fliegen dann geradeaus weiter durch das Feld und können damit eine Lochblende (ein Loch) erreichen und durch dieses Loch hindurch fliegen. Alle anderen Teilchen werden abgelenkt, vom Apparat absorbiert (geschluckt) und gelangen nicht durch das Loch.
Beispiel mit Daten
Die Firma DREEBIT aus Dresden bietet einen kleinen, kompakt gebauten Geschwindigkeitsfilter an. Im Datenblatt zu dem Produkt werden auch einige interessante technische Daten genannt.
- Größe der Ausgangsblende (Apertur): 0,5 oder 1,0 oder 1,5 👉 Millimeter
- Stärke des B-Feldes in der Achse: 200 bis 500 Millitesla (externer Link)
- Maximale Elektrodenspannung 1 👉 Kilovolt
- Ionenstrahlenergie pro Ladungszustand, z. B. 13,6 👉 keV
- Druck im Betrieb: 0,1 bis 1000 👉 Millibar
- 153 mm in Flugrichtung als 👉 Länge
- 300 mm quer zur Flugbahn als 👉 Breite
- 170 mm als 👉 Breite
- 10 kg als 👉 Masse
Fußnoten
- [1] Produktangaben der Firma DREEBIT aus Dresden. Abgerufen am 10. Juni 2026. Online: