Puchar Faradaya - Faraday cup
Zastosowania | Naładowany detektor cząstek |
---|---|
Powiązane przedmioty |
Mnożnik elektronów Detektor płytek mikrokanałowych Detektor Daly |
Puszka Faradaya jest metalowa (przewodzący) kubek przeznaczony jest do wykrywania naładowanych cząstek w próżni . Powstały prąd można zmierzyć i wykorzystać do określenia liczby jonów lub elektronów uderzających w kubek. Kubek Faradaya został nazwany na cześć Michaela Faradaya, który jako pierwszy teoretyzował na temat jonów około 1830 roku.
Przykładami urządzeń wykorzystujących kubki Faradaya są sondy kosmiczne ( Voyager 1 i 2 , Parker Solar Probe itp. ) oraz spektrometry masowe .
Zasada działania
Kiedy wiązka lub paczka jonów uderza w metal, zyskuje mały ładunek netto, podczas gdy jony są neutralizowane. Metal można następnie rozładowywać, aby zmierzyć mały prąd proporcjonalny do liczby uderzających jonów. Kubek Faradaya jest zasadniczo częścią obwodu, w którym jony są nośnikami ładunku w próżni i jest interfejsem do litego metalu, gdzie elektrony działają jako nośniki ładunku (jak w większości obwodów). Mierząc prąd elektryczny (liczbę elektronów przepływających przez obwód na sekundę) w metalowej części obwodu, można określić liczbę ładunków przenoszonych przez jony w próżniowej części obwodu. W przypadku ciągłej wiązki jonów (każda z pojedynczym ładunkiem) całkowita liczba jonów uderzających w kubek w jednostce czasu wynosi
gdzie N to liczba jonów zaobserwowanych w czasie t (w sekundach), I to zmierzony prąd (w amperach ), a e to ładunek elementarny (około 1,60 × 10 -19 C ). Tak więc zmierzony prąd jednego nanoampera ( 10-9 A) odpowiada około 6 miliardom jonów uderzających w kubek Faradaya co sekundę.
Podobnie kubek Faradaya może pełnić rolę kolektora elektronów w próżni (np. z wiązki elektronów ). W takim przypadku elektrony po prostu uderzają w metalową płytkę/kubek i wytwarzany jest prąd. Kubki Faradaya nie są tak czułe jak detektory powielacza elektronów , ale są wysoko cenione za dokładność ze względu na bezpośredni związek między mierzonym prądem a liczbą jonów.
W diagnostyce plazmy
Kubek Faradaya wykorzystuje zasadę fizyczną, zgodnie z którą ładunki elektryczne dostarczane do wewnętrznej powierzchni pustego przewodnika są redystrybuowane wokół jego zewnętrznej powierzchni dzięki wzajemnemu samoodpychaniu się ładunków tego samego znaku – zjawisko to odkrył Faraday .
Konwencjonalny kubek Faradaya jest stosowany do pomiarów przepływów jonów (lub elektronów) z granic plazmy i składa się z metalowej cylindrycznej miseczki odbierającej – 1 (rys. 1) zamkniętej i izolowanej od metalowej pokrywy z tłumikiem elektronów typu podkładka – 2 wyposażony w okrągły osiowy otwór wlotowy o powierzchni . Zarówno miseczka odbiornika, jak i pokrywa tłumika elektronów są otoczone i izolowane od uziemionego cylindrycznego ekranu – 3 z osiowym okrągłym otworem pokrywającym się z otworem w pokrywie tłumika elektronów – 2. Pokrywa tłumika elektronów jest połączona za pomocą Kabel RF 50 Ω ze źródłem zmiennego napięcia DC . Miseczka odbiornika jest połączona kablem RF 50 Ω poprzez rezystor obciążający z generatorem zamiatania wytwarzającym impulsy typu piły . Pojemność elektryczna jest utworzona z pojemności miski odbiornika – 1 do uziemionego ekranu – 3 oraz pojemności kabla RF. Sygnał z umożliwia obserwatorowi uzyskanie przez oscyloskop charakterystyki IV kubka Faradaya. Prawidłowe warunki pracy: (ze względu na możliwe zwisanie potencjału) i , gdzie jest droga wolna od jonów. Sygnałem jest charakterystyka kubka Faradaya IV, którą można obserwować i zapamiętywać na oscyloskopie
-
( 1 )
Na rys. 1: 1 – wkładka do kubka, metal (stal nierdzewna). 2 – pokrywa z tłumikiem elektronów, metal (stal nierdzewna). 3 – osłona uziemiona, metalowa (stal nierdzewna). 4 – izolator (teflon, ceramika). – pojemność kubka Faradaya. – rezystor obciążenia.
W ten sposób mierzymy sumę prądów elektrycznych płynących przez rezystor obciążenia : (prąd kubka Faradaya) plus prąd indukowany przez kondensator przez napięcie typu piły generatora przemiatania: Składowa prądu może być mierzona przy braku jonów i może być dalej odejmowana od całkowitego prądu mierzonego za pomocą plazmy, aby uzyskać rzeczywistą charakterystykę kubka Faradaya IV dla przetwarzania. Wszystkie elementy kielicha Faradaya i ich montaż, które oddziałują z plazmą, wykonane są zwykle z materiałów odpornych na temperaturę (często są to stal nierdzewna i teflon lub ceramika na izolatory). W celu opracowania charakterystyki kubka Faradaya IV założymy, że kielich Faradaya jest zainstalowany dostatecznie daleko od badanego źródła plazmy, gdzie przepływ jonów może być rozpatrywany jako przepływ cząstek o prędkościach równoległych skierowanych dokładnie wzdłuż kubka Faradaya. oś. W tym przypadku prąd cząstek elementarnych odpowiadający różnicy gęstości jonów w zakresie prędkości między i jonów przepływających przez szczelinę roboczą tłumika elektronów można zapisać w postaci
-
( 2 )
gdzie
-
( 3 )
jest ładunkiem elementarnym, jest stanem ładunku jonowego i jest jednowymiarową funkcją rozkładu prędkości jonów. Dlatego prąd jonów przy napięciu spowalniającym jony kubka Faradaya można obliczyć przez całkowanie równania. ( 2 ) po podstawieniu równ. ( 3 ),
-
( 4 )
gdzie dolna granica całkowania jest zdefiniowana z równania gdzie jest prędkością jonu zatrzymaną przez potencjał spowalniający i jest masą jonu. Tak więc równanie ( 4 ) reprezentuje IV charakterystykę kielicha Faradaya. Równanie różniczkujące ( 4 ) w odniesieniu do , można otrzymać relację
-
( 5 )
gdzie wartość jest niezmienną stałą dla każdego pomiaru. Dlatego średnią prędkość jonów docierających do kubka Faradaya i ich średnią energię można obliczyć (przy założeniu, że działamy z jednym rodzajem jonu) za pomocą wyrażeń
-
[cm/s]
( 6 )
-
[eV]
( 7 )
gdzie jest masa jonów w jednostkach atomowych. Stężenie jonów w przepływie jonów w pobliżu kubka Faradaya można obliczyć ze wzoru
-
( 8 )
co wynika z równania. ( 4 ) w ,
-
( 9 )
oraz z umownego warunku normalizacji funkcji rozkładu
-
( 10 )
Na rys. 2 przedstawiono charakterystykę IV i jej pierwszą pochodną kubka Faradaya z zainstalowanym na wyjściu indukcyjnie sprzężonym źródłem plazmy zasilanym częstotliwością RF 13,56 MHz i pracującym przy 6 mTorr H2. Wartość napięcia supresora elektronów (przyspieszającego jony) ustalono doświadczalnie na , w pobliżu punktu tłumienia wtórnej emisji elektronów z wewnętrznej powierzchni kubka Faradaya.
Źródła błędów
Na zliczanie ładunków zebranych w jednostce czasu mają wpływ dwa źródła błędów: 1) emisja niskoenergetycznych elektronów wtórnych z powierzchni uderzonej przez padającym ładunkiem oraz 2) rozproszenie wsteczne ( rozpraszanie ~180 stopni) padającej cząstki, co powoduje przynajmniej na pewien czas opuścić powierzchnię zbierającą. Zwłaszcza w przypadku elektronów fundamentalnie niemożliwe jest odróżnienie nowego, nowego elektronu padającego od rozproszonego wstecznie lub nawet szybkiego elektronu wtórnego.
Zobacz też
- Nanokulombometr
- Mnożnik elektronów
- Detektor płytek mikrokanałowych
- Detektor Daly'ego
- Elektrometr kubkowy Faradaya
- klatka Faradaya
- Stała Faradaya
- ZAMIANA
Bibliografia
- ^ Brązowy, KL; GW Tautfest (wrzesień 1956). „Monitory Faradaya-Cup dla wysokoenergetycznych wiązek elektronów” (PDF) . Przegląd instrumentów naukowych . 27 (9): 696–702. Kod bib : 1956RScI...27..696B . doi : 10.1063/1.1715674 . Źródło 2007-09-13 .
- ^ Frank AJL James (2004). „Faraday, Michael (1791-1867)” . Oxford Dictionary of National Biography . 1 (wyd. online). Oxford University Press. doi : 10.1093/ref:odnb/9153 . ( Wymagana subskrypcja lub członkostwo w brytyjskiej bibliotece publicznej .)
- ^ EV Szunko. (2009). Sonda Langmuira w teorii i praktyce . Universal Publishers, Boca Raton, Floryda. 2008. s. 249. Numer ISBN 978-1-59942-935-9.