Цилиндр Фарадея: строение, особенности и недостатки датчика в комплексе системы регистрации заряженных частиц

Ключевые слова: управляющая сетка, датчик, цилиндр Фарадея, вакуумная камера, отдельный источник напряжения, коллектор датчика, частица.

Целью настоящего исследования является поиск и сбор научных статей по теме: «Цилиндр Фарадея», проверка актуальности данной темы, ознакомления с готовыми устройствами, их особенностями, структурой и недостатками.

Была проведена работа с источниками, для выяснения свойств и строения предмета Цилиндр Фарадея, какие на сегодняшний момент есть приборы, основанные на данном типе датчика, а также, как управлять этими датчиками и какие сигналы теоретически и практически были получены на выходе самих датчиков.

В 2013 году была опубликована статья Застенкера Г. Н., в которой освещались технические подробности, теоретические и практические данные прибора БМСВ. [1]

Прибор состоял из шести датчиков и блока электроники обрабатывающим сигналы с датчика и управляющим этими датчиками.

Рис. 1. Цилиндр Фарадея

На рисунке 5 представлено внутреннее строение датчика (цилиндра Фарадея).

Основными элементами этого датчика являются — корпус с вводами, металлический коллектор, собирающий заряженные частицы, набор сеток (С2, С3), позволяющий сортировать заряженные частицы по знаку заряда и по величине их энергии и две диафрагмы (входная С4 и выходная С1), формирующие угловую диаграмму датчика. Применение металлического коллектора для сбора заряженных частиц вместо вторичных электронных умножителей, хотя и приводит к несколько меньшей чувствительности, но обеспечивает постоянство характеристик и возможность проводить абсолютные измерения потоков заряженных частиц. [2]

Сетка С3 должна запитываться отдельным источником напряжения диапазоном от 0 до 4000В.

Сетки С2 и С4 являются экраном и будут заводится на землю или на 0В.

В статье Застенкера Г. Н. говориться о том, что к каждому из датчиков — цилиндров Фарадея подключены свой высокочувствительный усилитель постоянного тока (УПТ) c диапазоном измерений от 10 ^–13 до 10 ^–9 А и свой аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Также об этом говорится и в статье под авторством Мухурова Н. И.

Для определения фототоков коллекторов на образец датчика, помещенный в откачанную до давления 6,310 ^–6 мм рт. ст. вакуумную камеру, направлялся поток ультрафиолетового излучения при значениях напряжения, подаваемого на супрессорную сетку Uс, в диапазоне от ‒500 до +500 В. На рис. 2 приведены результаты измерения фототоков I.

Рис. 2. Результаты испытания датчика.

Как видно из графика, чем выше напряжение на супрессорной сетке, тем выше ток и тем больше частиц попадает именно на коллектор датчика.

Чтобы объяснить зачем нужна управляющая сетка, необходимо обратиться к статье Мухурова Н. И. В ней приведено испытание, в котором проверялись запирающие характеристики сеток. [3]

Рис. 3. График зависимости тока на аноде датчика от напряжения управляющей сетки.

Из графика следует, что при подаче напряжения 1.2–1.3 кВ на управляющую сетку, оно становится сопоставимо с энергией пучка, в тот момент, когда энергия и напряжение уравниваются, ток от коллектора датчика минимизируется, то есть становится практически равен нулю исходя из отношения I/I _max .

Просмотрев статьи, которые ссылались на прибор «Плазма-Ф» и «Спектр-Ф», авторы упоминали датчик, который содержит несколько цилиндров Фарадея, а если быть точным, то 6 штук, что примечательно пара цилиндров стояла перпендикулярно земле, а остальные четыре устанавливались относительно земли под углом отличным от 90 градусов. В процессе изучения статей, можно наткнуться на упоминание, что пропускное окно в датчике наиболее эффективно только тогда, когда пучок ионов проходящий через окно, пересекает его под углами от 0 до 60 градусов, то есть, можно сказать о том, что датчик — это направленное устройство, поэтому чтобы избежать постоянной коррекции по направлению в данных проектах использовались шесть независимых датчиков, чтобы расширить угол работы устройства. [4]

Вывод:

Был произведен поиск литературы по исследуемой теме и найдено несколько статей по интересующим приборам, выяснены основные особенности конструкции цилиндра Фарадея, такие как выходные токи с коллектора датчика, необходимое напряжение для управление датчиком посредством сеток, наиболее эффективный угол входа пучка через пропускное окно датчика, а так же было установлено, что конструкцию можно усовершенствовать посредством увеличения напряжения на управляющей сетки для работы с большими энергиями пучка, увеличение пропускного окна и самого датчика, для увеличения эффективного угла входа ионов через пропускное окно, а также можно поместить на дно датчика не одну, а несколько регистрирующих пластин, то есть можно создать один датчик, который по характеристикам будет не уступать прибору с шестью датчиками.

Литература:

1. Г. Н. Застенкер, Я. Шафранкова, З. Немечек, Л. Прех, И. Чермак, И. Ваверка, А. Комарек, Я. Войта, Л. С. Чесалин, Б. Т. Каримов, Ю. Н. Агафонов, Н. Л. Бородкова, Е. А. Гаврилова, Т. И. Гагуа, И. Т. Гагуа, П. А. Далин, А. В. Дьячков, И. В. Колоскова, А. В. Лейбов, Н. П. Семена, В. В. Чернов, Я. И. Марков, Е. Е. Рязанова, М. О. Рязанцева, Н. Н. Шевырев, В. В. Храпченков, О. М. Чугунова, А. С. Юрасов, Быстрые измерения параметров солнечного ветра с помощью прибора БМСВ. — Застенкер Г. Н. // Космические исследования, 2013, том 51, № 2, с. 88–99.
2. Андрухович И. М., Гасенкова И. В., Датчики потоков космической плазмы с селектирующими элементами высокой прозрачности. — Андрухович И. М. // Конференция «Ломоносов 2018» [Электронный ресурс], Режим доступа:https://lomonosovmsu.ru/archive/Lomonosov_2018/data/13685/69427_uid243201_report.pdf
3. Мухуров Н. И., Гасенкова И. В., Андрухович И. М., Застенкер Г. Н.,Бородкова Н. Л., Костенко В. И., Каримов Б. Т. Конструкция датчиков потоков космической плазмы на основе цилиндра Фарадея. Приборы и методы измерений. — Мухуров Н. И., 2017. — Т. 8, № 4. С. 305–313.
4. Застенкер, Г. Н. Новые результаты эксперимента / Г. Н. Застенкер. — Текст: электронный // Плазменно-магнитный эксперимент ПЛАЗМА-Ф: [сайт]. — URL: http://www.plasma-f.cosmos.ru/ (дата обращения: 06.05.2021).