法拉第杯

法拉第杯是一种设计成杯状，用来测量带电粒子入射强度的金属制真空侦测器。测得的电流可以用来判定入射电子或离子的数量^[1]。 法拉第杯是用在电学有卓著贡献的英国物理学家麦可·法拉第之姓氏来命名。

Faraday cup

法拉第杯示意图
使用	带电粒子探测器
相关事物	电子倍增管 微通道板 戴利侦测器

原理

法拉第杯, 杯前面带有一个电子抑制盖板

当离子或电子进入法拉第杯以后，会产生电流或电子流。对一个连续的带单电荷的离子束来说：

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

其中，N 是离子数量、t 是时间(秒)、I 是测得的电流(安培)、e 是基本电荷(约 1.60 x 10^-19 库仑)。我们可以估算，若测得电流为 10^-9 A (1 nA)，即约有六十亿个离子被法拉第杯收集。

有两种因素会造成测量的误差，第一个是入射的带电粒子撞击法拉第杯表面产生低能量的二次电子而逃离；第二种是入射粒子的反向散射。可透过适当的设计来阻拦、减少这些误差。

类似地，法拉第杯可以充当真空中电子的收集器（例如来自电子束）。在这种情况下，电子简单地撞击金属板/杯并产生电流。法拉第杯不像电子倍增管探测器那么灵敏，但由于测得的电流和离子数量之间存在直接关系，所以它们的准确度非常高。这种器件因其独立于能量、质量、化学性质等分析物，而被认为是通用电荷检测器。

等离子诊断

Fig. 1. 用于等离子诊断（英语：plasma diagnostics）的法拉第杯

法拉第杯采用一个物理原理，根据该物理原理，传递到空心导体内表面的电荷在其外表面周围重新分布，这是由于相同符号的电荷的相互自我排斥 - 一个被法拉第发现的现象^[2]。 传统的法拉第杯用于测量来自等离子体边界的离子（或电子）流，包括一个金属圆柱形接收器杯-1（图1），用垫圈式金属电子抑制器盖封闭并与之隔离 - 2所示的实施例提供了具有表面积${\displaystyle S_{F}=\pi D_{F}^{2}/4}$的孔的圆形轴向通孔。接收器杯和电子抑制器盖都被包围并且与接地的圆柱形屏蔽件3绝缘，该屏蔽件具有与电子抑制盖-2中的孔重合的轴向圆孔。电子抑制器盖通过50ΩRF电缆连接，其来源${\displaystyle B_{es}}$可变直流电压${\displaystyle U_{es}}$。 接收器杯通过50ΩRF电缆通过负载电阻${\displaystyle R_{F}}$连接，扫描发生器产生锯齿型脉冲 ${\displaystyle U_{g}(t)}$。

应用

法拉第杯可以被用在许多需要侦测离子或电子的分析仪器里，如质谱仪。法拉第杯没有像其他带电粒子侦测器如电子倍增管与微通道板如此灵敏。不过法拉第杯透过电流与电荷的转换，可获得准确的电荷数量。它们常被搭配使用，法拉第杯用来侦测较强的讯号，电子倍增管或微通道板用来侦测微小的讯号。此外，法拉第杯也有设计成阻滞电场分析仪（Retarding field analyzer, RFA）的形式，可用来测量离子束的强度与能量分布。

参考文献

1. Brown, K. L.; G. W. Tautfest, Faraday-Cup Monitors for High-Energy Electron Beams, Review of Scientific Instruments, 1956, 27 (9): 696–702, doi:10.1063/1.1715674 引文使用过时参数coauthors (帮助)
2. Frank A. J. L. James. Faraday, Michael (1791–1867). Oxford Dictionary of National Biography. 2004, 1. doi:10.1093/ref:odnb/9153.