패러데이 컵

패러데이 컵
	패러데이 컵의 개략도
사용하다	하전 입자 검출기
관련 항목	전자 곱셈기; 마이크로채널 플레이트 검출기; 데일리 검출기

패러데이 컵은 진공에서 하전 입자를 잡도록 설계된 금속(전도성) 컵입니다.결과 전류를 측정하여 ^[1]컵에 부딪히는 이온 또는 전자의 수를 결정할 수 있습니다.패러데이 컵은 1830년경에 이온을 최초로 이론화한 마이클 패러데이의 이름을 따서 지어졌다.

패러데이 컵을 사용하는 장치의 예로는 우주 탐사선(Voyager 1, & 2, Parker Solar Probe 등)과 질량 분석기가 있습니다.

작동 원리

전면에 전자 억제판이 있는 패러데이 컵

빔이나 이온 패킷이 금속에 닿으면 이온이 ^{[clarification needed]}중화되는 동안 소량의 순전하를 얻습니다.그런 다음 금속을 방전하여 충돌 이온 수에 비례하는 작은 전류를 측정할 수 있습니다.패러데이 컵은 본질적으로 진공 상태에서 이온이 전하 운반체인 회로의 일부이며, 전자가 전하 운반체 역할을 하는 고체 금속과의 인터페이스입니다(대부분의 회로와 같습니다).회로의 금속부에서의 전류(회로를 흐르는 초당 전자수)를 측정함으로써 회로의 진공부에서의 이온이 전하는 전하수를 결정할 수 있다.연속 이온 빔(각각 1전하를 갖는)의 경우 단위 시간당 컵에 부딪히는 이온의 총 수는 다음과 같습니다.

{\frac {N}{t}}=squalfrac {I}{e}

여기서 N은 시간 t(초 단위)에서 관측된 이온의 수이고, I는 측정된 전류(암페어 단위), e는 기본 전하(약 1.60 × 10⁻¹⁹ C)입니다.따라서 1나노암페어(10A)의⁻⁹ 측정된 전류는 초당 약 60억 개의 이온이 패러데이 컵에 부딪히는 것에 해당합니다.

마찬가지로 패러데이 컵은 진공 상태(예: 전자 빔)에서 전자의 수집기 역할을 할 수 있습니다.이 경우 전자는 단순히 금속판/컵에 부딪혀 전류가 발생한다.패러데이 컵은 전자 증배 검출기만큼 민감하지는 않지만 측정된 전류와 이온 수 사이의 직접적인 관계 때문에 정확도가 높게 평가됩니다.

플라즈마 Diagnostics의 경우

패러데이 컵은 중공 도체의 내부 표면에 전달된 전하가 동일한 부호의 전하를 상호 자기반복하여 외부 표면 주위에 재분배되는 물리적 원리를 이용하는데, 이는 ^[2]패러데이가 발견한 현상이다.

그림 1. 플라즈마 진단용 패러데이 컵 1 – 컵 리시버, 금속(스테인리스강)2 – 전자 센서 리드, 금속(강철)3 – 접지 실드, 금속(강철)4 – 절연체(테프론, 세라믹)

기존의 패러데이 컵은 플라즈마 경계에서 이온(또는 전자) 흐름을 측정하기 위해 $S_{F}=\pi D_{F}^{2}/4$ 되며 $S_{F}=\pi D_{F}^{2}/4$ 이 SF인 개구부의 둥근 축을 통해 제공되는 와셔형 금속 전자 억제기 뚜껑 – 2로 닫히고 절연된 금속 원통형 리시버 컵 – 1(그림 1)로 구성됩니다. $=$ D $S_{F}=\pi D_{F}^{2}/4$ / $4$ ({ $displaystyle S_{$ F}=\pi $D_{F}^{2}/4$ 리시버 컵과 전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자-전자 억제기 뚜껑은 50Ω RF 케이블로 가변 DC $U_{es}$ $U_{es}$ 의 $B_{es}$ $B_{es}$ e $(\$ $B_$ ${es$ 와 $B_{es}$ 연결되어 있습니다.리시버 컵은 로드 $R_{F}$ $R_{F}$ F $U_{g}(t)$ $displaystyle R_{F})$ 를 $R_{F}$ 통해 스위프 제너레이터를 통해 50Ω RF 케이블로 연결되어 톱형 $U_{g}(t)$ U $U_{g}(t)$ (\displaystyle $U_{g}(t$ 를 생성합니다. $전기$ 용량 C F $(\$ displaystyle $C_{F}$ C_{F})는 $C_{F}$ 리시버 컵의 용량과 3 – 차폐에 접지됩니다.RF 케이블의 용량. $R_{F}$ F ${\$ 의 $R_{F}$ 신호를 $R_{F}$ 관찰자는 오실로스코프를 통해 패러데이 컵의 I-V 특성을 얻을 수 있습니다.적절한 동작 조건: $h\geq D_{F}$ $h\geq D_{F}$ F \ $displaystyle$ h \ $geq D$ _ { $F$ } (잠재성이 있기 때문에) $h\ll \lambda _{i}$ $h\ll \lambda _{i}$ $h\ll \lambda _{i}$ $h\ll \lambda _{i}$ \ $displaystyle$ h \ $lambda$ _ { $i$ } 。 $\lambda _{i}$ 서 $\lambda _{i}$ i\ $displaystyle$ \ $lambda$ _ { $i$ }는 $\lambda _{i}$ 이온 프리 패스입니다. $({$ 의 $R_{F}$ $R_{F}$ 는 오실로스코프가 관찰하고 기억할 수 있는 패러데이 컵 I-V 특성입니다.

\displaystyle i_{\Sigma}(U_{g})=i_{i}(U_{g})-C_{F}{\frac {dU_{g}}{dt}}}

(1)

그림 1: 1 – 컵 받침, 금속(스테인리스강)2 – 전자 센서 리드, 금속(강철)3 – 접지 실드, 금속(강철)4 – 절연체(테프론, 세라믹) $C_{F}$ F $(\$ – 패러데이 컵 용량. $R_{F}$ F $(\$ – 부하 저항기

따라서 부하 $R_{F}$ $R_{F}$ F $({$ R_ ${F$ 를 $i_{\Sigma }$ 통해 i $(\$ $})$ $i_{i}$ 와 전류 i $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ g $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ g/ $i_{c}(U_{g})=-C_{F}(dU_{g}/dt)$ ) $tdisplay i(c)$ 를 합한 전류 $i_{\Sigma }$ 를 측정합니다.스위프 제너레이터의 톱형 $U_{g}$ $({$ U_ ${g})$ 만큼 $U_{g}$ $C_{F}$ $C_{F}$ F $({$ 를 통해 $C_{F}$ 상승:전류 $i_{c}(U_{g})$ $i_{c}(U_{g})$ c $i_{c}(U_{g})$ ( $i_{c}(U_{g})$ ) { $displaystyle i$ _ { $c$ （ $U$ _ { $g$ ） }는 $i_{c}(U_{g})$ 이온 흐름이 없는 상태에서 측정할 수 있으며 플라즈마로 측정한 총 $i_{\Sigma }(U_{g})$ $Ω$ ( $U$ g ) $i_{\Sigma }(U_{g})$ { \ $Sigma }(U_{g})$ 에서 $i_{\Sigma }(U_{g})$ 더 감산하여 실제 패러데이 컵 I-특징 $i_{i}(U_{g})$ ( $i_{i}(U_{g})$ 를 얻을 수 있습니다.ystyle $i_{i}(U_{g})$ 를 $i_{i}(U_{g})$ $처리$ 합니다.플라즈마와 상호작용하는 모든 패러데이 컵 요소 및 그 어셈블리는 보통 내온성 재료로 제작됩니다(이러한 재료는 스테인리스강, 테프론 또는 절연체용 세라믹입니다).패러데이 컵 I-V 특성을 처리하기 위해, 패러데이 컵은 이온의 흐름이 패러데이 컵 축을 정확히 따라 향하는 평행 속도의 입자의 흐름으로 간주될 수 있는 조사된 플라즈마 소스로부터 충분히 멀리 설치되었다고 가정합니다.이 경우 $S_{F}$ $S_{F}$ 를 통해 유입되는 이온의 속도 범위에서의 이온밀도 $dn(v)$ $(v)$ 에 $dn(v)$ 대응하는 $di_{i}$ 소립자 $di_{i}$ $({$ })는 v $(\displaystyle$ v)와 $v$ v $+$ (\ $displaystyle$ v $+dv)$ 이다 $v+dv$ .전자억제기의 le $S_{F}$ 는 $S_{F}$ 다음과 같이 쓸 수 $있다$ .

\displaystyle di_{i}=eZ_{i}S_{F}vdn(v)}

(2)

어디에

dn(v)=dv

(3)

$(\displaystyle$ e $)$ 는 $e$ 기본 전하, $(\$ })는 $Z_{i}$ 이온 전하 상태, $(\displaystyle$ f $(v))$ 는 $f(v)$ 1차원 이온 속도 분포 함수입니다.따라서 패러데이컵의 $U_{g}$ U $(\$ 에서의 $U_{g}$ 이온전류는 Eq(3)를 대입한 후 Eq(2)를 적분하여 계산할 수 있다.

\displaystyle i_{i}(U_{g})=eZ_{i}n_{i}S_{F}\int \int_{\displayrt {2eZ_{i}U_{g}/M_{i}}^{\infty}f(v)vdv}

(4)

여기서 적분 하한은 $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ i $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ , $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ 2 / $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ { $displaystyle M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}$ 에서 정의됩니다. $U_{g}$ $v_{i,s}$ 서 $M_{i}v_{i,s}^{2}/2=eZ_{i}U_{g}$ $v_{i,s}$ $v_{i,s}$ s $v_{i,s}$ {\ $displaystyle v_{i,s}$ 는 $v_{i,s}$ 감속전위 $U_{g}$ {\ $displaystyle U_{g$ 에 의해 정지된 이온의 속도, $M_{i}$ ${\$ }}는 $M_{i}$ 이온 질량이다.따라서 Eq. (4)는 패러데이 컵의 I-V 특성을 나타낸다.(4) $Ug$ {displaystyle $U_{g$ 에 대한 Eq(4)의 차이를 구하면 그 관계를 얻을 수 있다.

{di_{i}(U_{g}){dU_{g}}=-en_{i}S_{F}{\frac {eZ_{i}}{M_{i}}f\left({\sqrt {2eZ_{i})U_{g}}{M_{i}}}\right}

(5)

여기서 값 - $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ S $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ ( $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ Z $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ / M $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ ) $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ $(\$ $=C_{$ i $-n_{i}S_{F}(eZ_{i}/M_{i})=C_{i}$ }}는 각 측정마다 불변 상수이다 $.$ 따라서 패러데이 컵에 도달하는 이온의 평균 속도 $\langle v_{i}\rangle$ $\langle v_{i}\rangle$ δ { $displaystyle \langle v_{i}\rangle$ $}$ 과 $\langle v_{i}\rangle$ 그 평균 에너지 $\langle {\mathcal {E}}_{i}\rangle$ $\langle {\mathcal {E}}_{i}\rangle$ $†$ { $displaystyle \langle$ { $E}}_{i}\rangle }$ 을 $\langle {\mathcal {E}}_{i}\rangle$ 이온식으로 계산할 수 있다.

1

U_{g}\left(\int \limits

_

{0}^{\infty }{\frac {i}^{\

prime

}}{\sqrt {U_{

g}}}}}

dU_{{g}\

right}^{-1

}[

cm/s]

(6)

\langle {\mathcal {E}}_{i}\rangle =\int \limits _{0}^{\infty }i_{i}^{\prime }(U_{g}){\sqrt {U_{g}}}dU_{g}\left(\int \limits _{0}^{\infty }{\frac {i_{i}^{\prime }}{\sqrt {U_{g}}}}dU_{g}\right)^{-1}

t)^{-1}

[eV]

(7)

여기서 $(\$ 는 $M_{A}$ 원자 단위의 이온 질량입니다.패러데이 컵 근처의 이온 흐름에서 이온 $n_{i}$ $(\$ })는 $n_{i}$ 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

({displaystyle n_{i}=subscfrac {i}(0)}{eZ_{i}\langle v_{i}\rangle S_{F}}})

(8)

$U_{g}=0$ (4)에서 $=$ 0(\ $displaystyle U_{g$ }= $0$

{{0}^{\infty}f(v)vdv=\displaystyle v\rangle }

(9)

그림 2. 패러데이 컵 I-V 특성

분배기능 정상화를 위한 기존 조건으로부터

\int \display_{0}^{\infty}f(v)dv=1

(10)

그림 2는 S $S_{F}=0.5cm^{2}$ $S_{F}=0.5cm^{2}$ $S_{F}=0.5cm^{2}$ .5 $S_{F}=0.5cm^{2}$ $S_{F}=0.5cm^{2}$ 2 {{ $display S$ _ $i_{i}^{\prime }(V)$ $0$ ^ = $S_{F}=0.5cm^{2}$ 5 $S_{F}=0.5cm^{2}$ 인 패러데이 컵의 I-V $i_{i}(V)$ ( $V$ $i_{i}^{\prime }(V)$ ) $5$ ( $V$ ) $5$ ( $V$ ) $i_{i}^{\prime }(V)$ Hz 및 H2의 6mTorr에서 동작합니다.패러데이컵 ^[3]내부 표면에서 발생하는 2차 전자방출 억제점 부근에서 전자-전자전압(이온 확산) 값을 U $U_{es}=-170V$ $=$ - $U_{es}=-170V$ V(\ $displaystyle U_{es$ }=- $170$ V $U_{es}=-170V$ 로 실험적으로 설정하였다.

에러 발생원

단위 시간당 수집된 전하의 계수는 두 가지 오류 발생원에 의해 영향을 받는다. 1) 입사 전하에 의해 타격된 표면으로부터의 저에너지 이차 전자 방출과 2) 입사 입자의 후방 산란(~180도 산란)은 적어도 일시적으로 집적 표면을 이탈하게 한다.특히 전자의 경우, 새로운 입사 전자와 후방 산란된 전자 또는 빠른 2차 전자를 구별하는 것은 근본적으로 불가능합니다.

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

^ Brown, K. L.; G. W. Tautfest (September 1956). "Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams" (PDF). Review of Scientific Instruments. 27 (9): 696–702. Bibcode:1956RScI...27..696B. doi:10.1063/1.1715674. Retrieved 2007-09-13.
^ Frank A. J. L. James (2004). "Faraday, Michael (1791–1867)". Oxford Dictionary of National Biography. Vol. 1 (online ed.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/9153. (Paper정기 구독이나 영국 공공 도서관 회원을 요구했다.).
^ E. V. Shun'ko. (2009). Langmuir Probe in Theory and Practice. Universal Publishers, Boca Raton, Fl. 2008. p. 249. ISBN 978-1-59942-935-9.

외부 링크

미사 Spectrometers의 패러데이 컵 By케네스 L. 부시와 이온은 검출.

[1.1715674-1] Brown, K. L.; G. W. Tautfest (September 1956). "Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams" (PDF). Review of Scientific Instruments. 27 (9): 696–702. Bibcode:1956RScI...27..696B. doi:10.1063/1.1715674. Retrieved 2007-09-13.

[2] Frank A. J. L. James (2004). "Faraday, Michael (1791–1867)". Oxford Dictionary of National Biography. Vol. 1 (online ed.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/9153. (Paper정기 구독이나 영국 공공 도서관 회원을 요구했다.).

[3] E. V. Shun'ko. (2009). Langmuir Probe in Theory and Practice. Universal Publishers, Boca Raton, Fl. 2008. p. 249. ISBN 978-1-59942-935-9.

[1]

[2]

[3]

v t 질량 분석
덩어리 m/z 질량 스펙트럼 MS 소프트웨어 줄임말
이온원	AMS APCI APLI CI DAPPI 다트 DESI 디오스 EESHI EI ESI 팹 FD GD IA ICP 래시 MALDI 마르다 MIP PTR 세시 심즈 SS SSI 셀디 TI TS
질량 분석기	섹터 빈 필터 비행 시간 사극질량필터 사극 이온 트랩 페닝 트랩 FT-ICR 궤도랩
검출기	전자 곱셈기 마이크로채널 플레이트 검출기 데일리 검출기 패러데이 컵 랑무아르–테일러 검출기
MS의 조합	MS/MS QQ 하이브리드 MS GC/MS LC/MS IMS/MS CE-MS
단편화	새 CID ECD EDD ETD HCD IRMPD 네트워크 SID
카테고리 공통 위키프로젝트

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