Чаша Фарадея

Улавливатель заряженных частиц

Чаша Фарадея — это металлическая (проводящая) чаша, предназначенная для улавливания заряженных частиц . Результирующий ток можно измерить и использовать для определения количества ионов или электронов, попадающих в чашу. ^[1] Чаша Фарадея была названа в честь Майкла Фарадея, который первым выдвинул теорию ионов около 1830 года.

Примерами устройств, использующих цилиндры Фарадея, являются космические зонды ( Voyager 1 , & 2 , Parker Solar Probe и т. д.) и масс-спектрометры . Цилиндры Фарадея также можно использовать для измерения заряженных аэрозольных частиц.

Принцип действия

Чаша Фарадея с пластиной-подавителем электронов спереди

Когда пучок или пакет ионов или электронов (например, от электронного пучка ) попадает в металлический корпус чашки, аппарат приобретает небольшой чистый заряд. Затем чашку можно разрядить, чтобы измерить небольшой ток, пропорциональный заряду, переносимому падающими ионами или электронами. Измеряя электрический ток (количество электронов, протекающих через цепь в секунду) в чашке, можно определить количество зарядов. Для непрерывного пучка ионов (предполагается, что они заряжены один раз) или электронов общее количество N, попадающих в чашку за единицу времени (в секундах), равно

${\displaystyle {\frac {N}{t}}={\frac {I}{e}}}$

где I — измеренный ток (в амперах ), а e — элементарный заряд (1,60 × 10−19 ^Кл ) . Таким образом, измеренный ток в один наноампер (10−9 ^А ) соответствует примерно 6 миллиардам однократно заряженных частиц, ударяющихся о цилиндр Фарадея каждую секунду.

Цилиндр Фарадея не столь чувствителен, как детекторы с электронными умножителями , но его точность высоко ценится из-за прямой зависимости между измеряемым током и количеством ионов.

В плазменной диагностике

В работе цилиндра Фарадея используется физический принцип, согласно которому электрические заряды, подводимые к внутренней поверхности полого проводника, перераспределяются по его внешней поверхности за счет взаимного самоотталкивания зарядов одного знака – явления, открытого Фарадеем . [ ^2]

Рис. 1. Цилиндр Фарадея для диагностики плазмы 1 – приемник-чашка, металл (нержавеющая сталь). 2 – крышка-подавитель электронов, металл (нержавеющая сталь). 3 – заземляющий экран, металл (нержавеющая сталь). 4 – изолятор (тефлон, керамика).

Обычный цилиндр Фарадея применяется для измерения потоков ионов (или электронов) с границ плазмы и состоит из металлического цилиндрического приемника-чашки - 1 (рис. 1), закрытого и изолированного от металлической крышки-подавителя электронов в виде шайбы - 2, снабженной круглым осевым сквозным входным отверстием отверстия с площадью поверхности . Как приемник, так и крышка-подавитель электронов окутаны и изолированы от заземленного цилиндрического экрана - 3, имеющего осевое круглое отверстие, совпадающее с отверстием в крышке-подавителя электронов - 2. Крышка-подавитель электронов соединена 50-омным ВЧ-кабелем с источником переменного постоянного напряжения . Приемник-чашка соединен 50-омным ВЧ-кабелем через нагрузочный резистор с генератором развертки, вырабатывающим пилообразные импульсы . Электрическая емкость формируется из емкости приемника-чашки - 1 относительно заземленного экрана - 3 и емкости ВЧ-кабеля. Сигнал от позволяет наблюдателю получить IV характеристику цилиндра Фарадея с помощью осциллографа. Правильные рабочие условия: (из-за возможного падения потенциала) и , где - свободный пробег ионов. Сигнал от - это IV характеристика цилиндра Фарадея , которую можно наблюдать и запоминать с помощью осциллографа ${\displaystyle S_{F}=\pi D_{F}^{2}/4}$ ${\displaystyle B_{es}}$ ${\displaystyle U_{es}}$ ${\displaystyle R_{F}}$ ${\displaystyle U_{g}(t)}$ ${\displaystyle C_{F}}$ ${\displaystyle R_{F}}$ ${\displaystyle h\geq D_{F}}$ ${\displaystyle h\ll \lambda _{i}}$ ${\displaystyle \lambda _{i}}$ ${\displaystyle R_{F}}$

На рис. 1: 1 – чашка-приемник, металл (нержавеющая сталь). 2 – крышка электроподавителя, металл (нержавеющая сталь). 3 – заземляющий экран, металл (нержавеющая сталь). 4 – изолятор (тефлон, керамика). – емкость цилиндра Фарадея. – нагрузочный резистор. ${\displaystyle C_{F}}$ ${\displaystyle R_{F}}$

Таким образом, мы измеряем сумму электрических токов через нагрузочный резистор : (ток цилиндра Фарадея) плюс ток, индуцированный через конденсатор пилообразным напряжением генератора развертки: Составляющую тока можно измерить при отсутствии потока ионов и вычесть из полного тока, измеренного с плазмой, чтобы получить фактическую IV-характеристику цилиндра Фарадея для обработки. Все элементы цилиндра Фарадея и их сборка, взаимодействующие с плазмой, обычно изготавливаются из термостойких материалов (часто это нержавеющая сталь и тефлон или керамика для изоляторов). Для обработки IV-характеристики цилиндра Фарадея мы будем предполагать, что цилиндр Фарадея установлен достаточно далеко от исследуемого источника плазмы, где поток ионов можно рассматривать как поток частиц с параллельными скоростями, направленный точно вдоль оси цилиндра Фарадея. В этом случае ток элементарных частиц, соответствующий разнице плотности ионов в диапазоне скоростей между и ионов, втекающих через рабочее отверстие электронного подавителя, можно записать в виде ${\displaystyle i_{\Sigma }}$ ${\displaystyle R_{F}}$ ${\displaystyle i_{i}}$ ${\displaystyle i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)}$ ${\displaystyle C_{F}}$ ${\displaystyle U_{g}}$ ${\displaystyle i_{c}(U_{g})}$ ${\displaystyle i_{\Sigma }(U_{g})}$ ${\displaystyle i_{i}(U_{g})}$ ${\displaystyle di_{i}}$ ${\displaystyle dn(v)}$ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle v+dv}$ ${\displaystyle S_{F}}$

где

${\displaystyle e}$- элементарный заряд, - состояние заряда иона, - одномерная функция распределения скорости ионов. Таким образом, ионный ток при напряжении торможения ионов цилиндра Фарадея можно рассчитать, проинтегрировав уравнение ( 2 ) после подстановки уравнения ( 3 ), ${\displaystyle Z_{i}}$ ${\displaystyle f(v)}$ ${\displaystyle U_{g}}$

где нижний предел интегрирования определяется из уравнения где - скорость иона, остановленного тормозящим потенциалом , а - масса иона. Таким образом, уравнение ( 4 ) представляет собой ВАХ цилиндра Фарадея. Дифференцируя уравнение ( 4 ) по , можно получить соотношение ${\displaystyle M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}}$ ${\displaystyle v_{i,s}}$ ${\displaystyle U_{g}}$ ${\displaystyle M_{i}}$ ${\displaystyle U_{g}}$

где величина является постоянной величиной для каждого измерения. Таким образом, среднюю скорость ионов, поступающих в цилиндр Фарадея, и их среднюю энергию можно рассчитать (в предположении, что мы работаем с одним типом ионов) по выражениям ${\displaystyle -n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}}$ ${\displaystyle \langle v_{i}\rangle }$ ${\displaystyle \langle {\mathcal {E}}_{i}\rangle }$

где - масса иона в атомных единицах. Концентрация ионов в ионном потоке вблизи цилиндра Фарадея может быть рассчитана по формуле ${\displaystyle M_{A}}$ ${\displaystyle n_{i}}$

что следует из уравнения ( 4 ) при , ${\displaystyle U_{g}=0}$

Рис. 2. Характеристика IV цилиндра Фарадея

и из обычного условия нормализации функции распределения

На рис. 2 представлена ​​ВАХ и ее первая производная цилиндра Фарадея с установленным на выходе индуктивно-связанным источником плазмы, питаемым ВЧ 13,56 МГц и работающим при 6 мТорр H2. Значение подавляющего электроны напряжения (ускоряющего ионы) было установлено экспериментально на уровне , вблизи точки подавления вторичной электронной эмиссии с внутренней поверхности цилиндра Фарадея. ^[3] ${\displaystyle i_{i}(V)}$ ${\displaystyle i_{i}^{\prime }(V)}$ ${\displaystyle S_{F}=0.5cm^{2}}$ ${\displaystyle U_{es}=-170V}$

Источники ошибок

На подсчет зарядов, собранных за единицу времени, влияют два источника ошибок: 1) эмиссия низкоэнергетических вторичных электронов с поверхности, пораженной падающим зарядом, и 2) обратное рассеяние (~180-градусное рассеяние) падающей частицы, которое заставляет ее покидать собирающую поверхность, по крайней мере временно. Особенно в случае с электронами, принципиально невозможно отличить свежий новый падающий электрон от того, который был рассеян обратно, или даже быстрого вторичного электрона.

Смотрите также

• Нанокулонометр
• Электронный умножитель
• Детектор на основе микроканальной пластины
• Детектор Дейли
• электрометр с чашкой Фарадея
• клетка Фарадея
• постоянная Фарадея
• СВИП

Ссылки

1. Браун, К. Л.; Г. В. Таутфест (сентябрь 1956 г.). "Мониторы с чашей Фарадея для высокоэнергетических электронных пучков" (PDF) . Обзор научных приборов . 27 (9): 696–702. Bibcode :1956RScI...27..696B. doi :10.1063/1.1715674 . Получено 13 сентября 2007 г. .
2. Фрэнк А. Дж. Л. Джеймс (2004). «Фарадей, Майкл (1791–1867)». Оксфордский национальный биографический словарь . Том 1 (онлайн-ред.). Oxford University Press. doi :10.1093/ref:odnb/9153. (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании.)
3. EV Шунько. (2009). Зонд Ленгмюра в теории и практике . Universal Publishers, Бока-Ратон, Флорида. 2008. стр. 249. ISBN 978-1-59942-935-9.

Внешние ссылки

• Обнаружение ионов в масс-спектрометрах с помощью цилиндра Фарадея Автор: Кеннет Л. Буш