Принципиальная схема чашки Фарадея | |
Использует | Детектор заряженных частиц |
---|---|
Сопутствующие товары | Электронный умножитель. Микроканальный пластинчатый детектор. Детектор Дейли |
A Фарад ay cup - это металлическая (проводящая) чашка, предназначенная для улавливания заряженных частиц в вакууме. Результирующий ток можно измерить и использовать для определения количества ионов или электронов, попадающих в чашку. Чашка Фарадея была названа в честь Майкла Фарадея, который первым теоретизировал ионы около 1830 года.
Примерами устройств, в которых используются чашки Фарадея, являются космические зонды (Вояджер 1, 2, Parker Solar Probe и т. Д.) Или масс-спектрометры.
Когда пучок или пакет ионов ударяется о металл, он приобретает небольшой чистый заряд, а ионы нейтрализуются. Затем металл можно разрядить, чтобы измерить небольшой ток, пропорциональный количеству падающих ионов. Чашка Фарадея, по сути, является частью цепи, где ионы являются носителями заряда в вакууме, и это интерфейс с твердым металлом, где электроны действуют как носители заряда (как и в большинстве схем). Измеряя электрический ток (количество электронов, протекающих по цепи 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 в чашку в единицу времени, составляет
где N - количество ионов, наблюдаемых за время t (в секундах), I - измеренный ток (в амперах ), а e - это элементарный заряд (примерно 1,60 × 10 C ). Таким образом, измеренный ток в один наноампер (10 А) соответствует примерно 6 миллиардам ионов, ударяющим по чашке Фарадея каждую секунду.
Точно так же чаша Фарадея может действовать как коллектор для электронов в вакууме (например, от электронного луча ). В этом случае электроны просто ударяются о металлическую пластину / чашку, и возникает ток. Чашечки Фарадея не так чувствительны, как детекторы электронного умножителя , но высоко ценятся за точность из-за прямой зависимости между измеряемым током и количеством ионов.
В чашке Фарадея используется физический принцип, согласно которому электрические заряды, поступающие на внутреннюю поверхность полого проводника, перераспределяются вокруг его внешней поверхности за счет взаимного самоотталкивания заряды одного знака - явление, обнаруженное Фарадеем.
Рис. 1. Чашка Фарадея для диагностики плазмы 1 - чашка-приемник, металл (нержавеющая сталь). 2 - крышка электронного подавителя, металл (нержавеющая сталь). 3 - заземленный экран, металл (нержавеющая сталь). 4 - изолятор (тефлон, керамика).Обычная чашка Фарадея применяется для измерения потоков ионов (или электронов) от границ плазмы и представляет собой металлическую цилиндрическую чашку-приемник-1 (рис.1), закрытую и изолированную от, металлическая крышка-подавитель электронов шайбового типа - 2, снабженная круглым осевым входным отверстием с площадью поверхности . Как чаша приемника, так и крышка электронного подавителя окружены и изолированы от заземленного цилиндрического экрана - 3 с осевым круглым отверстием, совпадающим с отверстием в крышке электронного подавителя - 2. Крышка электронного подавителя соединена посредством ВЧ-кабель 50 Ом с источником переменного постоянного напряжения . Чашечка приемника соединена кабелем RF 50 Ом через нагрузочный резистор с генератором развертки, генерирующим импульсы пилы . Электрическая емкость складывается из емкости чашки-приемника - 1 на заземленный экран - 3 и емкости ВЧ кабеля. Сигнал от позволяет наблюдателю получить ВАХ чашки Фарадея с помощью осциллографа. Правильные условия эксплуатации: (из-за возможного провисания потенциала) и , где - длина свободного пробега ионов. Сигнал от - это чаша Фарадея IV характеристика, которую можно наблюдать и запоминать с помощью осциллографа
(1) |
На рис. 1: 1 - чашка-приемник, металл (нержавеющая сталь). 2 - крышка электронного подавителя, металл (нержавеющая сталь). 3 - заземленный экран, металл (нержавеющая сталь). 4 - изолятор (тефлон, керамический). - вместимость чаши Фарадея. - нагрузочный резистор.
Таким образом, мы измеряем сумму электрических токов через нагрузочный резистор : (ток в чашке Фарадея) плюс ток индуцируется через конденсатор напряжением типа пилы генератора развертки: текущая составляющая может быть измерено при отсутствии потока ионов и может быть дополнительно вычтено из полного тока измерено с помощью плазмы, чтобы получить фактическую характеристику чашки Фарадея IV для обработки. Все элементы чашки Фарадея и их сборки, которые взаимодействуют с плазмой, обычно изготавливаются из термостойких материалов (часто это нержавеющая сталь и тефлон или керамика для изоляторов). Для обработки чаши Фарадея IV характеристика мы будем предполагать, что чаша Фарадея установлена достаточно далеко от исследуемого источника плазмы, где поток ионов можно рассматривать как поток частиц с параллельными скоростями. направлен точно по оси чаши Фарадея. В этом случае ток элементарной частицы , соответствующий разности плотности ионов в диапазоне скоростей от до ионов, втекающих в апертура подавителя электронов может быть записана в виде
(2) |
где
(3) |
- элементарный заряд, - состояние заряда иона, а - одномерная функция распределения ионов по скоростям. Следовательно, ионный ток при напряжении ионного замедления чашки Фарадея может быть вычислен путем интегрирования уравнения. (2) после замены Ур. (3),
( 4) |
где нижний предел интегрирования определяется из уравнения где - скорость иона, остановленного замедляющим потенциалом и - масса иона. Таким образом, уравнение. (4) представляет собой ВАХ чаши Фарадея. Дифференцируя уравнение. (4) относительно , можно получить соотношение
( 5) |
где значение - неизменная константа для каждого измерения. Следовательно, средняя скорость ионов, попадающих в чашу Фарадея, и их средняя энергия можно вычислить (в предположении, что мы работаем с одним типом иона) с помощью выражений
[см / с] | (6) |
[эВ] | (7) |
где e - масса иона в атомных единицах. Концентрация ионов в потоке ионов вблизи чаши Фарадея может быть рассчитана по формуле
(8) |
что следует из уравнения. (4) при ,
(9) |
и из обычного условия для нормализации функции распределения
(10) |
Рис. 2 иллюстрирует IV характеристику и ее первую производную чашки Фарадея с установлен на выходе источника индуктивно связанной плазмы с питанием от RF 13,56 МГц и работающим при 6 мторр вод. Значение напряжения подавителя электронов (ускоряющее ионы) было экспериментально установлено на , около точки подавления вторичная электронная эмиссия с внутренней поверхности чаши Фарадея.
На подсчет зарядов, собранных за единицу времени, влияют два источника ошибок: 1) испускание низкоэнергетических вторичных электронов с поверхности, пораженной падающим зарядом, и 2) обратное рассеяние (~ 180-градусное рассеяние) падающей частицы, которое заставляет ее покинуть собирающуюся поверхность, по крайней мере временно. Особенно с электронами, принципиально невозможно отличить новый падающий электрон от обратно рассеянного или даже быстрого вторичного электрона.