Una copa de Faraday es una copa de metal (conductora) diseñada para atrapar partículas cargadas en el vacío . La corriente resultante se puede medir y usar para determinar la cantidad de iones o electrones que golpean la copa. [1] La copa de Faraday recibió su nombre de Michael Faraday, quien teorizó por primera vez sobre los iones alrededor de 1830.
Usos | Detector de partículas cargadas |
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Artículos relacionados | Multiplicador de electrones Detector de placa de microcanal Detector Daly |
Ejemplos de dispositivos que utilizan vasos de Faraday incluyen sondas espaciales ( Voyager 1 y 2 , Parker Solar Probe , etc.) y espectrómetros de masas .
Principio de funcionamiento
Cuando un haz o paquete de iones golpea el metal, gana una pequeña carga neta mientras los iones se neutralizan. A continuación, se puede descargar el metal para medir una pequeña corriente proporcional al número de iones que inciden. La copa de Faraday es esencialmente parte de un circuito donde los iones son los portadores de carga en el vacío y es la interfaz con el metal sólido donde los electrones actúan como portadores de carga (como en la mayoría de los circuitos). Al medir la corriente eléctrica (el número de electrones que fluyen a través del circuito por segundo) en la parte metálica del circuito, se puede determinar el número de cargas transportadas por los iones en la parte de vacío del circuito. Para un haz continuo de iones (cada uno con una sola carga), el número total de iones que golpean la taza por unidad de tiempo es
donde N es el número de iones observados en un tiempo t (en segundos), I es la corriente medida (en amperios ) ye es la carga elemental (aproximadamente 1,60 × 10 −19 C ). Por lo tanto, una corriente medida de un nanoamperio (10 −9 A) corresponde a aproximadamente 6 mil millones de iones que golpean la copa de Faraday cada segundo.
De manera similar, una copa de Faraday puede actuar como un colector de electrones en el vacío (por ejemplo, de un haz de electrones ). En este caso, los electrones simplemente golpean la placa / taza de metal y se produce una corriente. Las copas de Faraday no son tan sensibles como los detectores multiplicadores de electrones , pero son muy apreciadas por su precisión debido a la relación directa entre la corriente medida y el número de iones.
En diagnósticos de plasma
La copa de Faraday utiliza un principio físico según el cual las cargas eléctricas entregadas a la superficie interior de un conductor hueco se redistribuyen alrededor de su superficie exterior debido a la auto-repulsión mutua de cargas del mismo signo, un fenómeno descubierto por Faraday . [2]
La copa de Faraday convencional se aplica para medir flujos de iones (o electrones) desde los límites del plasma y comprende una copa receptora cilíndrica metálica - 1 (Fig.1) cerrada y aislada de una tapa metálica supresora de electrones tipo arandela - 2 provisto de un hueco pasante axial redondo de una abertura con un área de superficie . Tanto la copa receptora como la tapa del supresor de electrones están envueltas y aisladas de una pantalla cilíndrica conectada a tierra - 3 que tiene un orificio redondo axial que coincide con el orificio de la tapa del supresor de electrones - 2. La tapa del supresor de electrones está conectada Cable RF de 50 Ω con la fuente de voltaje DC variable . La copa receptora está conectada por un cable RF de 50 Ω a través de la resistencia de carga con un generador de barrido que produce pulsos tipo sierra . Capacidad eléctricaestá formado por la capacidad de la copa receptora - 1 al blindaje a tierra - 3 y la capacidad del cable RF. La señal depermite a un observador adquirir una característica IV de la copa de Faraday mediante un osciloscopio. Condiciones de funcionamiento adecuadas: (debido a un posible hundimiento) y , dónde es el camino libre de iones. Señal dees la característica de la copa de Faraday IV que se puede observar y memorizar con un osciloscopio
( 1 )
En la Fig. 1: 1 - recipiente para tazas, metal (acero inoxidable). 2 - tapa supresor de electrones, metal (acero inoxidable). 3 - blindaje de puesta a tierra, metálico (acero inoxidable). 4 - aislante (teflón, cerámica). - capacidad de la taza Faraday. - resistencia de carga.
Así medimos la suma de las corrientes eléctricas a través de la resistencia de carga : (Corriente de copa de Faraday) más la corriente inducido a través del condensador por el voltaje tipo sierra del generador de barrido: El componente actual se puede medir en ausencia del flujo de iones y se puede restar aún más de la corriente total medido con plasma para obtener la característica real de la copa de Faraday IV para procesar. Todos los elementos de copa de Faraday y su ensamblaje que interactúan con el plasma se fabrican generalmente con materiales resistentes a la temperatura (a menudo estos son acero inoxidable y teflón o cerámica para aislantes). Para el procesamiento de la característica de copa de Faraday IV , asumiremos que la copa de Faraday está instalada lo suficientemente lejos de una fuente de plasma investigada donde el flujo de iones podría considerarse como el flujo de partículas con velocidades paralelas dirigidas exactamente a lo largo de la copa de Faraday. eje. En este caso, la corriente de partículas elementales correspondiente al diferencial de densidad iónica en el rango de velocidades entre y de iones que fluyen a través de la apertura operativa del supresor de electrones se puede escribir en la forma
( 2 )
dónde
( 3 )
es carga elemental, es el estado de carga de iones, y es la función de distribución de velocidad iónica unidimensional. Por lo tanto, la corriente de iones al voltaje de desaceleración de ionesde la copa de Faraday se puede calcular integrando la Ec. ( 2 ) después de sustituir la Ec. ( 3 ),
( 4 )
donde el límite de integración inferior se define a partir de la ecuación dónde es la velocidad del ion detenido por el potencial de desaceleración , y es la masa de iones. Por lo tanto, la ecuación. ( 4 ) representa la característica IV de la copa de Faraday. Diferenciando Eq. ( 4 ) con respecto a, se puede obtener la relación
( 5 )
donde el valor es una constante invariable para cada medida. Por tanto, la velocidad media de iones que llegan a la copa de Faraday y su energía promedio se puede calcular (bajo el supuesto de que operamos con un solo tipo de ion) mediante las expresiones
- [cm / s]
( 6 )
- [eV]
( 7 )
dónde es la masa de iones en unidades atómicas. La concentración de iones en el flujo de iones en la vecindad de la copa de Faraday se puede calcular mediante la fórmula
( 8 )
que se sigue de la Ec. ( 4 ) en,
( 9 )
y de la condición convencional para la normalización de la función de distribución
( 10 )
La figura 2 ilustra la característica IV y su primera derivada de la copa Faraday con instalado en la salida de la fuente de plasma acoplada inductivamente alimentada con RF 13.56 MHz y operando a 6 mTorr de H2. El valor del voltaje del supresor de electrones (acelerando los iones) se fijó experimentalmente en, cerca del punto de supresión de la emisión de electrones secundarios de la superficie interna de la copa de Faraday. [3]
Fuentes de error
El recuento de cargas recolectadas por unidad de tiempo se ve afectado por dos fuentes de error: 1) la emisión de electrones secundarios de baja energía de la superficie golpeada por la carga incidente y 2) la retrodispersión (~ 180 grados de dispersión) de la partícula incidente, que causa dejar la superficie de recogida, al menos temporalmente. Especialmente con los electrones, es fundamentalmente imposible distinguir entre un nuevo electrón incidente nuevo y uno que ha sido retrodispersado o incluso un electrón secundario rápido.
Ver también
- Nanoculombímetro
- Multiplicador de electrones
- Detector de placa de microcanal
- Detector de daly
- Electrómetro de copa faraday
- Jaula de Faraday
- Constante de Faraday
- SWEAP
Referencias
- ^ Marrón, KL; GW Tautfest (septiembre de 1956). "Monitores de copa de Faraday para haces de electrones de alta energía" (PDF) . Revisión de instrumentos científicos . 27 (9): 696–702. Código Bibliográfico : 1956RScI ... 27..696B . doi : 10.1063 / 1.1715674 . Consultado el 13 de septiembre de 2007 .
- ^ Frank AJL James (2004). "Faraday, Michael (1791-1867)". Diccionario Oxford de biografía nacional . 1 (ed. En línea). Prensa de la Universidad de Oxford. doi : 10.1093 / ref: odnb / 9153 . (Se requiere suscripción o membresía a una biblioteca pública del Reino Unido ).
- ^ EV Shun'ko. (2009). Sonda de Langmuir en teoría y práctica . Universal Publishers, Boca Raton, Fl. 2008. p. 249. ISBN 978-1-59942-935-9. Parámetro desconocido
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enlaces externos
- Detección de iones en espectrómetros de masas con la copa de Faraday por Kenneth L. Busch