法拉第杯

法拉第杯是一种金属（导电）杯，旨在捕获真空中的带电粒子。 由此产生的电流可以被测量并用于确定撞击杯的离子或电子的数量。

使用法拉第杯的设备示例包括太空探测器（航海者 1 号和 2 号、帕克太阳探测器等）和质谱仪。

当一束或一束离子撞击杯的金属体时，该装置获得少量净电荷，而当电荷转移到金属壁时离子被中和。 然后可以对金属部件进行放电，以测量与撞击离子数量成正比的小电流。 法拉第杯本质上是电路的一部分，其中离子是真空中的电荷载体，它是与电子充当电荷载体的固体金属的界面（与大多数电路一样）。 通过测量电路金属部分中的电流（每秒流过电路的电子数），可以确定电路真空部分中离子携带的电荷数。 对于连续的离子束（每个离子束带有一次电荷），每单位时间撞击杯的离子总数为

N t = I e

其中 N 是在时间 t 内观察到的离子数（以秒为单位），I 是测得的电流（以安培为单位），e 是基本电荷（约 1.60 × 10−19 C）。 因此，1 纳安 (10-9 A) 的测量电流对应于每秒约 60 亿个离子撞击法拉第杯。

同样，法拉第杯可以作为真空中电子的收集器（例如来自电子束）。 在这种情况下，电子只是撞击金属板/杯并产生电流。 法拉第杯不如电子倍增器检测器灵敏，但由于测量电流与离子数量之间的直接关系，因此在准确性方面受到高度重视。

法拉第杯利用了一种物理原理，根据该原理，输送到空心导体内表面的电荷由于同号电荷的相互自排斥而重新分布在其外表面周围——这是法拉第发现的一种现象。

传统的法拉第杯用于测量从等离子体边界流出的离子（或电子），包括一个金属圆柱形接收器杯 – 1，用垫圈式金属电子抑制器盖封闭并与之绝缘 – 图 2 设有表面积为 S F = π D F 2 / 4 {\displaystyle S_{F}=\pi D_{F}{2}/4} 的孔径的圆形轴向通孔。 接收器杯和电子抑制器盖都包裹在接地的圆柱形屏蔽罩中并与之绝缘 – 3 具有与电子抑制器盖上的孔重合的轴向圆孔 – 2. 电子抑制器盖通过以下方式连接 50 Ω 射频电缆，源 B e s {\displaystyle B_{es}} 可变直流电压 U e s {\displaystyle U_{es}} 。 接收器杯通过负载电阻 R F {\displaystyle R_{F}} 通过 50 Ω RF 电缆与产生锯齿型脉冲 U g ( t ) {\displaystyle U_{g}(t) 的扫描发生器连接 } 。 电容 C F {\displaystyle C_{F}} 由接收器杯的电容 – 1 到接地屏蔽 – 3 以及射频电缆的电容组成。 来自 R F {\displaystyle R_{F}} 的信号使观察者能够通过示波器获取法拉第杯的 I-V 特性。 适当的操作条件：h ≥ D F {\displaystyle h\geq D_{F}}（由于可能的下垂）和 h ≪ λ i ，其中 λ i 是离子自由程。 来自 R F {\displaystyle R_{F}} 的信号是法拉第杯的 I-V 特性，可用示波器观察和记忆

(1)

1 – 杯子接收器，金属（不锈钢）。 2 – 电子抑制器盖，金属（不锈钢）。 3 – 接地屏蔽，金属（不锈钢）。 4 – 绝缘体（聚四氟乙烯、陶瓷）。 C F {\displaystyle C_{F}} – 法拉第杯的容量。 R F – 负载电阻。