패러데이 컵

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1. 개요
2. 작동 원리
- 2.1. 전류와 하전 입자 수의 관계
- 2.2. 플라즈마 진단에서의 활용
  - 2.2.1. I-V 특성곡선 분석
3. 오차 원인
4. 관련 기술 및 장치
참조

1. 개요

패러데이 컵은 이온 또는 전자의 빔이나 패킷이 컵의 금속 본체에 부딪힐 때 발생하는 전하를 측정하는 장치이다. 컵에 흐르는 전류를 측정하여 입사하는 하전 입자의 수를 계산할 수 있으며, 플라즈마 진단, 특히 이온 흐름 측정에 활용된다. 패러데이 컵의 정확도는 높지만, 이차 전자 방출 및 후방 산란으로 인해 오차가 발생할 수 있다. 관련 기술로는 광전자 증배관 등이 있으며, 패러데이 컵 전류계는 이 장치를 이용한 전류 측정 장치이다.

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패러데이 컵
개요
명칭	패러데이 컵
용도	하전 입자 검출기
관련 장비	전자 증배관 미세 채널판 검출기 데일리 검출기
역사적 맥락 및 작동 원리
작동 원리	하전 입자가 컵에 충돌하면 컵은 작은 전류를 얻거나 잃고, 이 전류를 측정하여 입자 흐름을 측정
응용 분야	진공 장치 내 이온 및 전자 빔 측정 우주선 내의 플라스마 밀도 및 흐름 측정 질량 분석기, 이온 추진기 등
특징	광범위한 에너지 범위에서 작동 가능 매우 큰 전류 또는 매우 작은 전류 측정 가능 견고하며 높은 신뢰성
구조 및 작동
기본 구조	금속 컵 도체 재료 절연체
작동 과정	입자가 컵에 진입하여 컵과 충돌 컵은 입자로부터 전하를 획득하거나 손실 전하의 흐름을 통해 전류가 발생 전류 측정으로 입자 플럭스를 결정
다양한 설계 및 개선 사항
이차 전자 억제기	컵 내 입자 충돌 시 발생할 수 있는 이차 전자 방출을 억제 측정의 정확도 향상
자기장 차폐	외부 자기장으로부터 컵을 보호 측정에 영향을 줄 수 있는 자기장 간섭 감소
여러 개의 컵 어레이	다수의 컵을 사용하여 공간적으로 해상도 높은 측정 가능
사용 시 주의사항
표면 오염	컵 내부 표면의 오염 방지 부정확한 측정 결과 초래 방지
전도성 접촉	측정 시스템 내 전도성 접촉을 보장 측정 안정성 향상
누설 전류	누설 전류 감소를 위한 절연 설계 측정 정확도 향상
기타 정보
참고 문헌	Brown, K. L.; Tautfest, G. W. (1956). “Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams”. Review of Scientific Instruments. 27 (9): 696–702. doi:10.1063/1.1715674.

2. 작동 원리

패러데이 컵은 마이클 패러데이가 발견한 물리적 원리를 이용한다. 이 원리는 속이 빈 도체의 내부 표면에 전달된 전하가 같은 부호 전하의 상호 반발력으로 인해 외부 표면으로 재분배된다는 것이다.^[2]

하전 입자(이온 또는 전자)가 금속에 부딪히면 금속에 전하가 축적된다. 이때 금속에 전류계를 연결하면, 입사한 하전 입자의 수에 비례하는 전류가 전류계에 흐른다. 이러한 금속을 패러데이 컵이라고 한다. 패러데이 컵은 진공을 포함한 전기 회로의 일부이며, 진공 중에서는 하전 입자가 전하를 운반하고, 패러데이 컵과 전류계 등의 도선 부분에서는 도선 내의 전자가 전하를 운반한다.

2. 1. 전류와 하전 입자 수의 관계

이온 또는 전자(예: 전자빔) 빔이나 패킷이 컵의 금속 본체에 부딪히면, 장치는 작은 순 전하를 얻게 된다. 그런 다음 컵을 방전시켜 충돌하는 이온이나 전자에 의해 운반되는 전하에 비례하는 작은 전류를 측정할 수 있다. 컵에서 전류(초당 회로를 통해 흐르는 전자의 수)를 측정하여 전하의 수를 결정할 수 있다. 단일 전하를 띤 것으로 가정하는 연속적인 이온 또는 전자 빔의 경우, 단위 시간(초)당 컵에 부딪히는 총 수 ''N''은 다음과 같다.

:

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

여기서 ''I''는 측정된 전류(암페어)이고, ''e''는 기본 전하(1.60 × 10⁻¹⁹ C)이다. 따라서 1나노암페어(10⁻⁹ A)의 측정된 전류는 초당 약 60억 개의 단일 전하 입자가 패러데이 컵에 충돌하는 것에 해당한다.

패러데이 컵은 전자 증배관 검출기만큼 민감하지 않지만, 측정된 전류와 이온 수 사이의 직접적인 관계 때문에 정확성이 높이 평가된다.

2. 2. 플라즈마 진단에서의 활용

그림 1. 플라스마 진단을 위한 패러데이 컵: 1 – 컵 수신기 (스테인리스강). 2 – 전자 억제기 뚜껑 (스테인리스강). 3 – 접지 차폐 (스테인리스강). 4 – 절연체 (테플론, 세라믹).

패러데이 컵은 플라스마 경계에서 이온 또는 전자의 흐름을 측정하는 데 사용된다. 패러데이 컵은 표면적이

S_F=\pi D^2_F/4

인 구멍이 있는 금속 전자 억제기 뚜껑(2)으로 닫혀 있고 절연된 금속 원통형 수신기 컵(1)으로 구성된다 (그림 1 참조). 수신기 컵과 전자 억제기 뚜껑은 모두 접지된 원통형 차폐(3)에 둘러싸여 있으며, 이로부터 절연되어 있다. 전자 억제기 뚜껑(2)에는 축 방향 원형 구멍이 있다.

전자 억제기 뚜껑은 50Ω RF 케이블을 통해 가변 DC 전압

U_{es}

의 소스에 연결된다. 수신기 컵은 50Ω RF 케이블을 통해 부하 저항

R_F

를 거쳐 톱니파 펄스

U_g(t)

를 생성하는 스윕 발생기와 연결된다. 전기 용량

C_F

는 수신기 컵(1)과 접지 차폐(3) 사이의 용량 및 RF 케이블의 용량으로 구성된다.

패러데이 컵의 적절한 작동 조건은

h\geq D_F

(잠재적인 전위 저하 방지) 및

h\ll \lambda_i

(이온 자유 경로)이다.

2. 2. 1. I-V 특성곡선 분석

패러데이 컵의 I-V 특성곡선은 오실로스코프를 통해 관찰하고 기록할 수 있다.^[2] 부하 저항

R_F

를 통과하는 전류의 합

i_\Sigma

는 패러데이 컵 전류

i_i

와 스윕 발생기의 톱니파 전압

U_g

에 의해 커패시터

C_F

를 통해 유도된 전류

i_c(U_g)=-C_F(dU_g/ dt)

의 합으로 측정된다. 이온 흐름이 없을 때 측정한

i_c(U_g)

를 플라스마를 사용하여 측정된 총 전류

i_\Sigma(U_g)

에서 빼서 실제 패러데이 컵 I-V 특성곡선

i_i(U_g)

를 얻는다.

3. 오차 원인

단위 시간당 수집된 전하량 계수는 두 가지 오차 원인의 영향을 받는다.^[1]

입사 전하가 충돌한 표면에서 저에너지 이차 전자가 방출되는 현상.
입사 입자가 수집 표면에서 후방 산란(~180도 산란)되어 이탈하는 현상(일시적일 수 있음).

특히 전자의 경우, 새로 입사한 전자와 후방 산란된 전자, 또는 빠른 이차 전자를 구분하는 것은 근본적으로 불가능하다.^[1]

4. 관련 기술 및 장치

광전자증배관
마이크로채널플레이트
달리 검출기
패러데이컵 전류계
패러데이 케이지
패러데이 상수

참조

_[1] 저널 Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams http://scitation.aip[...] 2007-09-13
_[2] ODNB Faraday, Michael (1791–1867)
_[3] 서적 Langmuir Probe in Theory and Practice Universal Publishers, Boca Raton, Fl.
_[4] 저널 Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams http://scitation.aip[...] 2007-09-13
_[5] 저널 Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams http://scitation.aip[...] 2007-09-13

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