Устройство для измерения удельного заряда частиц микронного размера

Полезная модель относится к области измерительной техники, конкретно к устройствам для измерения заряда частиц микронного размера и может быть использовано как в лабораторных исследованиях, так и в различных отраслях промышленности, таких как микроэлектроника, машиностроение, энергетическое и химическое производства, для диагностики и контроля дисперсных твердых фаз.
Известны устройства измерения зарядов частиц на основе электродинамических ловушек цилиндрического и линейного типов, часто называемых ловушками Пауля, в которых заряженные частицы захватываются и осциллируют в комбинации переменного и постоянного электрических полей. Известен способ измерения удельного заряда частиц в воздухе при атмосферном давлении в цилиндрической электродинамической ловушке Пауля, основанный на регистрации смещения положения осциллирующей частицы, вызванного воздействием на частицу постоянного электрического поля на нижнем электроде [Н. Winter and H.W. Ortjohann, Simple demonstration of storing macroscopic particles in a "Paul trap", Am. J. Phys., 1991, v. 59, p. 807]. Ловушка состоит из центрального заземленного электрода, выполненного в виде кольца из проволочки диаметром 3 мм, и двух торцевых шаровых электродов, расположенных сверху и снизу от проволочного кольца вдоль оси Z, которая совпадает с направлением силы тяжести. На шаровые электроды подается переменное напряжение. В этом случае частица совершает колебательные движения вдоль оси Z от верхнего шарового электрода к нижнему. Прикладывание дополнительного постоянного потенциала на верхний шаровой электрод сдвигает положение точки, относительно которой происходит колебание частицы вдоль вертикальной оси Z. Регистрация средней величины вертикального смещения осциллирующей частицы позволяет определить ее заряд.
Недостаток данного решения связан с тем, что для проведения достаточно точных измерений при наличии колебательного процесса наложенного на постоянное смещение, время наблюдения должно быть намного больше периода осцилляций, и, в случае, когда требуется определить заряд частицы по одному или нескольким мгновенным снимкам, указанный метод дает большую погрешность. Для оптической регистрации смещения частицы авторы вынуждены применять средний электрод в виде кольца из проволоки, в результате чего электрические поля становятся сильно неоднородными. Измеряемая частица может совершать движения по эллиптическим траекториям при малых расстояниях между сферическими электродами, так как поля внутри ловушки сильно неоднородны у торцов как сферических, так и кольцевого электродов, что дополнительно приводит к ухудшению точности измерений. В целом, точность определения удельного заряда при совершении частицей осцилляций оказывается невысокой. Погрешность измерений растет также вследствие того, что для микронных частиц сила сопротивления воздуха отличается от закона Стокса и зависит от размера и формы частиц, который не всегда известен.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство, на основе линейной квадрупольной электродинамической ловушки. Известна пятиэлектродная линейная квадрупольная электродинамическая ловушка с дополнительным пятым электродом в торце ловушки, принятая в качестве прототипа, в которой может быть осуществлен способ измерения удельного заряда капель размером несколько сотен микрон в воздухе при атмосферном давлении, основанный на регистрации смещения положения осциллирующей частицы вдоль линейных электродов, при воздействии постоянного электрического поля [D. Hu and В. Makin, Study of a five-electrode quadrupole levitation System, IEE Proceedings-A, 1991, V. 138, №6, р. 320]. Ловушка состоит из четырех линейных соосных электродов, расположенных вертикально. На линейные электроды подается переменное напряжение, с помощью которого создается электрическое поле, формирующее электродинамическую ловушку для удержания заряженных частиц в горизонтальной плоскости. Расстояние между линейными электродами намного меньше их длины, что создает внутри ловушки переменное электрическое поле, не имеющее продольной составляющей. В этом случае заряженная частица будет осциллировать только в горизонтальной плоскости, перпендикулярной линейным электродам. В нижней части ловушки в точке пересечения диагоналей от противоположных линейных электродов установлен пятый электрод с полусферическим торцом, на который подан постоянный потенциал. Изменением величины постоянного напряжения на полусферическом электроде можно компенсировать вес и фиксировать заданное расстояние частицы от электрода. Измерение положения частицы в ловушке, по которому вычисляют величину удельного заряда, производят оптическим методом.
Недостатком данного метода является значительная погрешность определения удельного заряда, которая достигала 30% по сравнению с расчетной, что можно объяснить влиянием краевых эффектов и элементов конструкции на результаты измерения. В этом случае частица может находиться в зоне действия искаженного электрического поля, что приводит к расхождению экспериментальных результатов с теоретическими.
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения заряда частиц микронного размера за счет уменьшения влияния краевых эффектов искажения электрического поля на концах линейной электродинамической ловушки и устранения влияния диэлектрического основания на результаты фиксации положения заряженных частиц в ловушке.
Для достижения указанного технического результата торцевой электрод выполнен в виде сферы, которая закреплена на тонком металлическом держателе, для увеличения расстояния между сферическим электродом и нижнем торцом ловушки, и тем самым уменьшения влияния концевых эффектов. Тонкий держатель выбирается для того, чтобы он оказывал незначительное влияние на распределение электрического поля сферы при измерениях, а также для уменьшения взаимной емкости между держателем и линейными электродами.
Технический результат достигается тем, что указанный сферический электрод установлен на расстоянии не менее четырех радиусов его сферы от нижнего торца линейной ловушки. Удаление сферического электрода на такое расстояние уменьшает влияние электрических полей изображения и поляризации диэлектрических элементов, которые конструктивно присутствуют в торце ловушки.
Таким образом, применения торцевого сферического электрода, установленного на расстоянии не менее четырех радиусов до торцевой стенки ловушки, позволяет повысить точность определения удельного заряда частиц.
Схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг. 1. Устройство включает в себя четыре одинаковых металлических электрода круглого сечения 1 (боковые электроды), закрепленных вертикально на диэлектрическом основании 2 по углам квадрата, сторона которого много меньше длины электродов, но при этом много больше, чем их диаметр. Так как электрическое поле внутри ловушки сильно неоднородно у торцов электродов, то для компенсации данного эффекта длина ловушки должна быть значительно больше ее ширины. Электроды соединены с источником переменного напряжения со сдвигом по фазе между электродами, расположенными на разных диагоналях. Устройство включает в себя также сферический электрод 3 на тонком металлическом держателе 4, закрепленном на основании 2 в центре квадрата, образованного боковыми электродами. Диаметр сферического электрода должен ограничиваться условием, исключающим электрический пробой между поверхностью сферы и боковыми электродами ловушки. Сферический электрод соединен с источником постоянного напряжения. Устройства электропитания электродов на фиг. 1 не показаны. На фиг. 2 представлена фотография устройства с частицей 5, остальные обозначения как на фиг. 1.
Работа устройства предлагаемым способом происходит следующим образом. На боковые электроды ловушки, расположенные на разных диагоналях, подают переменное напряжение, одинаковое по амплитуде, но сдвинутое по фазе на 180°. В переменном электрическом поле в горизонтальном сечении ловушки образуется потенциальная яма для заряженных частиц, где минимум потенциала приходится на центральную ось ловушки. Для компенсации веса частицы на шаровой электрод 3 подают отталкивающий частицу потенциал V. Путем подбора параметров ловушки положение частицы стабилизируют в определенной точке на центральной оси ловушки. Далее оптическим методом измеряют высоту частицы над сферическим электродом . Величину удельного заряда частицы определяют непосредственно из условия равенства силы тяжести, действующей на частицу, и электрической силы отталкивания между одноименно заряженными электродом и частицей
,
0
где m - масса частицы, g - ускорение свободного падения, ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε - диэлектрическая проницаемость воздуха, q - заряд исследуемой частицы, Q - заряд сферического электрода,  - расстояние от частицы до центра сферического электрода, R - радиус сферического электрода. Заряд сферического электрода Q выражается через потенциал V по формуле
.
Подставляя выражение заряда сферического электрода в исходное равенство сил, формула для расчета удельного заряда частицы будет выглядеть следующим образом:
.
Данное устройство было опробовано для измерения заряда частицы, приобретенного ею в коронном разряде. На фиг. 2 представлена фотография работающего устройства с захваченной частицей 5. В качестве боковых электродов 1 использовались стержни длиной 65 мм и диаметром 3 мм, в качестве торцевого электрода 4 - шар радиусом R=4 мм на тонком металлическом держателе 3 длиной 18 мм. Расстояние между боковыми стержнями составляло 14 мм. Отрицательно заряженная частица 5, попадая в ловушку, захватывалась на центральной ее оси. На боковые электроды подавалось переменное напряжение амплитудой 840 В и частотой 50 Гц, на торцевой сферический электрод подавался отрицательный потенциал V=250 В. Висящая над сферическим электродом частица была сфотографирована сбоку ПЗС-камерой (фиг. 2). Измеренное расстояние от частицы до поверхности сферического электрода составило , откуда  с точностью не хуже 2%.
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает более точное определение удельного заряда заряженных частиц.