Faraday-kopp

En Faraday-kopp er en metall (ledende) kopp designet for å fange ladede partikler i vakuum. Den resulterende strømmen kan måles og brukes til å bestemme antall ioner eller elektroner som treffer koppen. Faraday-koppen ble oppkalt etter Michael Faraday, som rundt 1830 var den første som utarbeidet teorier om ioner.

Faraday-kopp
Skjematisk diagram over en Faraday-kopp
Brukes i		Ladet partikkeldetektor
Relaterte ting		Elektronmultiplikator Mikroplate detektor Daly detektor

Som eksempel på instrumenter som bruker Faraday-kopper kan nevnes romfartsonder (Voyager 1, & 2, Parker Solar Probe, etc.) og massespektrometre.

Prinsipp for drift

Faraday-kopp med en elektron-undertrykkende plate foran

Når en stråle eller en pakke med ioner treffer metallet, får den en liten nettolading mens ionene blir nøytralisert. Metallet kan deretter utlades for å måle en liten strøm proporsjonal med antall påstøtende ioner. Faraday-koppen er i det vesentlige en del av en krets der ioner er ladningsbærerne i vakuum, og det er grensesnittet til det faste metallet der elektroner fungerer som ladningsbærere (som i de fleste kretser). Ved å måle den elektriske strømmen (antall elektroner som strømmer gjennom kretsen per sekund) i metaldelen av kretsen, kan antall ladninger som bæres av ionene i vakuumdelen av kretsen bestemmes. For en kontinuerlig stråle av ioner (hver med en enkelt ladning) er det totale antallet ioner som treffer koppen per tidsenhet

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

hvor N er antall ioner som er observert i en tid t (i sekunder), I er den målte strømmen (i ampere) og e er den grunnleggende ladningen (ca. 1,60 × 10−19 C). Dermed tilsvarer en målt strøm på en nanoamp (10⁻⁹ A) omtrent 6 milliarder ioner som treffer Faraday-koppen hvert sekund.

Tilsvarende kan en Faraday-kopp fungere som en samler for elektroner i et vakuum (f.eks. Fra en elektronstråle). I dette tilfellet treffer elektronene ganske enkelt metallplaten/koppen, og en strøm produseres. Faraday-kopper er ikke like følsomme som elektronmultiplikatordetektorer, men er høyt ansett for nøyaktighet på grunn av den direkte sammenhengen mellom den målte strømmen og antall ioner.

Feilkilder

Tellingen av ladninger samlet per tidsenhet påvirkes av to feilkilder: 1) utslipp av sekundære elektroner med lav energi fra overflaten som er rammet av hendelsesladningen og 2) tilbakespredning (~ 180 graders spredning) av den innfallende partikkelen, noe som forårsaker den for å forlate samleflaten, i det minste midlertidig. Spesielt med elektroner er det grunnleggende umulig å skille mellom et nytt nytt innfallende elektron og et som har blitt tilbakesprengt eller til og med et raskt sekundært elektron.