Кубок Фарадея

Уловитель заряженных частиц

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

Примеры устройств, в которых используются чашки Фарадея, включают космические зонды ( Вояджер 1 и 2 , Солнечный зонд Паркер и т. д.) и масс-спектрометры .

Принцип действия

Чашка Фарадея с пластиной электроногасителя спереди.

Когда луч или пакет ионов попадает на металлический корпус чашки, устройство получает небольшой суммарный заряд, в то время как ионы нейтрализуются, поскольку заряд переносится на металлические стенки. Затем металлическую часть можно разрядить для измерения небольшого тока, пропорционального количеству падающих ионов. Чашка Фарадея, по сути, является частью цепи , в которой ионы являются носителями заряда в вакууме, и является границей раздела с твердым металлом, где электроны действуют как носители заряда (как и в большинстве схем). Измеряя электрический ток (количество электронов, проходящих через цепь в секунду) в металлической части цепи, можно определить количество зарядов, переносимых ионами в вакуумной части цепи. Для непрерывного пучка ионов (каждый с одним зарядом) общее количество ионов, попадающих на чашку в единицу времени, равно

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

где N — количество ионов, наблюдаемых за время t (в секундах), I — измеренный ток (в амперах ), а e — элементарный заряд (около 1,60 × 10–19 ^Кл ) . Таким образом, измеренный ток в один наноампер (10 ^-9 А) соответствует примерно 6 миллиардам ионов, попадающих в чашку Фарадея каждую секунду.

Точно так же чашка Фарадея может действовать как коллектор электронов в вакууме (например, электронного луча ). В этом случае электроны просто ударяются о металлическую пластину/чашку и возникает ток. Чашки Фарадея не так чувствительны, как детекторы электронных умножителей , но высоко ценятся за точность из-за прямой зависимости между измеряемым током и количеством ионов.

В плазменной диагностике

В чашке Фарадея используется физический принцип, согласно которому электрические заряды, поступившие на внутреннюю поверхность полого проводника, перераспределяются вокруг его внешней поверхности за счет взаимного самоотталкивания зарядов одного знака — явления, открытого Фарадеем . ^[2]

Рис. 1. Чашка Фарадея для плазменной диагностики 1 – чашка-приемник, металл (нержавеющая сталь). 2 – крышка электроногасителя, металл (нержавеющая сталь). 3 – заземленный экран, металлический (нержавеющая сталь). 4 – изолятор (тефлон, керамика).

Обычный стакан Фарадея применяется для измерения потоков ионов (или электронов) с границ плазмы и состоит из металлического цилиндрического приемника - 1 (рис. 1), закрытого металлической крышкой-электроногасителем шайбового типа и изолированной от нее - 2, снабженный круглым осевым сквозным входным отверстием площадью поверхности . Как чашка приемника, так и крышка электроногасителя окружены и изолированы от заземленного цилиндрического экрана – 3, имеющего осевое круглое отверстие, совпадающее с отверстием в крышке электроноподавителя – 2. Крышка электроподавителя соединена ВЧ-кабель сопротивлением 50 Ом с источником переменного постоянного напряжения . Приемник-чашка соединен ВЧ-кабелем сопротивлением 50 Ом через нагрузочный резистор с генератором развертки, вырабатывающим пилообразные импульсы . Электрическая мощность формируется из емкости приемника-стакана – 1, заземленного экрана – 3 и емкости ВЧ-кабеля. Сигнал позволяет наблюдателю получить с помощью осциллографа ВАХ чаши Фарадея. Правильные условия эксплуатации: (из-за возможного провисания) и , где – свободный пробег ионов. Сигнал представляет собой IV характеристику чашки 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 электроногасителя, металл (нержавеющая сталь). 3 – заземленный экран, металлический (нержавеющая сталь). 4 – изолятор (тефлон, керамика). – емкость чашки Фарадея. – нагрузочный резистор. ${\displaystyle C_{F}}$ ${\displaystyle R_{F}}$

Таким образом, мы измеряем сумму электрических токов через нагрузочный резистор : (ток чашки Фарадея) плюс ток, индуцированный через конденсатор пилообразным напряжением генератора развертки: Составляющая тока может быть измерена в отсутствие иона поток и может быть дополнительно вычтен из общего тока, измеренного с помощью плазмы, чтобы получить фактическую характеристику IV чашки Фарадея для обработки. Все элементы чашки Фарадея и их узлы, взаимодействующие с плазмой, изготавливаются обычно из термостойких материалов (часто это нержавеющая сталь и тефлон или керамика для изоляторов). Для обработки ВАХ чашки Фарадея будем считать, что чашка Фарадея установлена ​​достаточно далеко от исследуемого источника плазмы, где поток ионов можно рассматривать как поток частиц с параллельными скоростями, направленными точно вдоль чашки Фарадея. ось. В этом случае ток элементарных частиц, соответствующий перепаду 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, – зарядовое состояние иона, – одномерная функция распределения ионов по скоростям. Следовательно, ионный ток при напряжении, замедляющем ионы в чашке Фарадея, можно рассчитать путем интегрирования уравнения (1). ( 2 ) после замены уравнения. ( 3 ), ${\displaystyle Z_{i}}$ ${\displaystyle f(v)}$ ${\displaystyle U_{g}}$

где нижний предел интегрирования определяется из уравнения где – скорость иона, остановленного тормозящим потенциалом , – масса иона. Таким образом, уравнение ( 4 ) представляет IV характеристику чашки Фарадея. Дифференцирующее уравнение. ( 4 ) относительно , ​​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 значение является неизменной константой для каждого измерения. Поэтому среднюю скорость ионов, поступающих в чашку 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. Концентрацию ионов в потоке ионов в окрестности чашки Фарадея можно рассчитать по формуле ${\displaystyle M_{A}}$ ${\displaystyle n_{i}}$

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

Рис, 2. IV характеристика чашки Фарадея

и из обычного условия нормировки функции распределения

На рис. 2 показаны ВАХ и ее первая производная от чашки Фарадея с установленным на выходе источником индуктивно-связанной плазмы , питаемым ВЧ частотой 13,56 МГц и работающим при 6 мТорр H2. Величина напряжения электроподавлятеля (ускоряющего ионы) устанавливалась экспериментально вблизи точки подавления вторичной электронной эмиссии с внутренней поверхности чашки 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 в единицу времени, влияют два источника ошибок: 1) испускание вторичных электронов низкой энергии с поверхности, пораженной падающим зарядом, и 2) обратное рассеяние (рассеяние на ~ 180 градусов) падающей частицы, что вызывает покинуть собирающую поверхность, хотя бы временно. Особенно в случае с электронами, принципиально невозможно отличить свежий новый падающий электрон от обратного рассеяния или даже от быстрого вторичного электрона.

Смотрите также

• Нанокулонметр
• Электронный умножитель
• Микроканальный пластинчатый детектор
• Детектор Дейли
• Электрометр с чашкой Фарадея
• Клетка Фарадея
• постоянная Фарадея
• РАЗВЕРТКА

Рекомендации

1. Браун, КЛ; GW Tautfest (сентябрь 1956 г.). «Мониторы с чашкой Фарадея для пучков высокоэнергетических электронов» (PDF) . Обзор научных инструментов . 27 (9): 696–702. Бибкод : 1956RScI...27..696B. дои : 10.1063/1.1715674 . Проверено 13 сентября 2007 г.
2. Фрэнк Эй Джей Джеймс (2004). «Фарадей, Майкл (1791–1867)». Оксфордский национальный биографический словарь . Том. 1 (онлайн-ред.). Издательство Оксфордского университета. doi : 10.1093/ref: odnb/9153. (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании.)
3. Е. В. Шунько. (2009). Ленгмюровский зонд в теории и практике . Universal Publishers, Бока-Ратон, Флорида. 2008. с. 249. ИСБН 978-1-59942-935-9.

Внешние ссылки

• Обнаружение ионов в масс-спектрометрах с помощью чашки Фарадея Кеннет Л. Буш