Электростатический анализатор

Электростатический анализатор или ЭСА — это инструмент, используемый в ионной оптике , который использует электрическое поле , позволяющее проходить только тем ионам или электронам , которые имеют заданную определенную энергию . Обычно он также фокусирует эти частицы (концентрирует их) на меньшей площади. ЭКА обычно используются в качестве компонентов космической аппаратуры для ограничения диапазона энергии сканирования (зондирования) и, следовательно, диапазона частиц, предназначенных для обнаружения и научных измерений. Ближайшим аналогом в фотонной оптике является фильтр .

Радиально-цилиндрический анализатор

Электростатические анализаторы имеют различные конфигурации. Простой вариант — радиально-цилиндрический анализатор, состоящий из двух изогнутых параллельных пластин с разными потенциалами. Ионы или электроны входят в анализатор с одного конца и либо проходят через другой конец, либо сталкиваются со стенками анализатора, в зависимости от их начальной энергии. В анализаторах такого типа с помощью ЭИЛ изменяется только радиальная составляющая скорости заряженной частицы, поскольку потенциал на пластинах меняется только в радиальном направлении, если рассматривать геометрию в цилиндрических координатах. Затем уравнение Пуассона можно использовать для расчета величины электрического поля, направленного радиально внутрь. Результирующая направленная внутрь сила, создаваемая этим электрическим полем, заставит траектории частиц изгибаться в равномерном круговом движении. Таким образом, в зависимости от начальной энергии (скорости) только определенные частицы будут иметь «правильное» движение, чтобы покинуть анализатор, отслеживая его физическую структуру, в то время как другие будут сталкиваться со стенками прибора. Помимо энергии, угол входа также влияет на время прохождения частиц через анализатор, а также на угол выхода. На практике пластины обычно заряжены противоположно друг другу и имеют очень высокие потенциалы. Также внутренняя поверхность анализатора, обычно изготовленная из алюминия для космических полетов, иногда бывает покрыты черным хромом или даже эбонолом C , чтобы поглощать рассеянный свет, а не позволять ему отражаться.

Цилиндрические и конические электростатические анализаторы энергии с торцевым полем

Хорошо известный класс анализаторов энергии с цилиндрическим торцевым полем и недавно разработанный тип конических электростатических анализаторов энергии с торцевым полем являются очень полезными приборами с очень широкой областью применения. Эти инструменты могут достигать очень высокого энергетического разрешения в сочетании с большой приемной апертурой, что очень важно для измерений потоков плазмы в космосе. ^[1]^[2] Этот новый класс анализаторов может использоваться в различных приложениях для изучения объектов различных форм и размеров. ^[3] и для анализа удаленных объектов при исследовании наноматериалов комплексом различных методов. ^[4]

ESA обычно разрабатываются и анализируются с использованием стандартного пакета программного обеспечения для моделирования ионно-оптической модели, который включает в себя возможность выполнения моделирования Монте-Карло для известных тестовых частиц, что дает разработчику лучшее понимание характеристик отклика самого анализатора.

Использование в космическом приборостроении

Примеры космических приборов или миссий с использованием электростатических анализаторов:

Прибор CAPS (плазменный спектрометр Кассини) на Кассини-Гюйгенс космическом корабле
Приборы IBEX-Hi и IBEX-Lo на Interstellar Boundary Explorer космическом корабле
Маринер 10
Прибор SWAP (Анализатор солнечного ветра вокруг Плутона) на New Horizons космическом корабле
Пионер 6, 7 и 8 Миссии
Рейнджер 1
ТЕМИС Миссия
Приборы ASPERA-3 и ASPERA-4 IMA на борту Mars Express и Venus Express ^[5]
Ионные и электронные приборы ICA и IES на борту ESA/ Rosetta . миссии ^[6]
Инструменты SWIA, SWEA и STATIC на MAVEN . STATIC включает в себя времяпролетное измерение для получения отношения массы/заряда в дополнение к электростатическому анализатору.
Эксперимент по распределению полярных сияний Юпитера (JADE) на Юнона (космический корабль) орбитальном аппарате Юпитера
Анализатор солнечного зонда (SPAN) на борту миссии Parker Solar Probe
солнечного ветра и ионов поглощения (SWAPI) Прибор на борту космического корабля Межзвездное картографирование и зонд ускорения (IMAP), запуск которого запланирован на 2025 год.

См. также

Ионная оптика

Ссылки

^ Ильин, А.М. (2003). «Новый класс электростатических энергоанализаторов с цилиндрическим торцевым полем». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 500 (1–3): 62–67. Бибкод : 2003NIMPA.500...62I . дои : 10.1016/S0168-9002(03)00334-6 .
^ Ильин А.М.; Ильина, И.А. (2005). «Новые электростатические энергоанализаторы с ограниченным цилиндрическим полем» . Измерительная наука и технология . 16 (9): 1798–1801. Бибкод : 2005MeScT..16.1798I . дои : 10.1088/0957-0233/16/9/012 . ISSN 0957-0233 . S2CID 121955696 .
^ Ильин А.М. и И.А. Ильина (2007). «Электростатический анализатор энергии лицевого поля для космических и плазменных измерений». Измерительная наука и технология . 18 (3): 724–726. Бибкод : 2007MeScT..18..724I . дои : 10.1088/0957-0233/18/3/023 . S2CID 121520374 .
^ Ильин, А.М.; Н.Р. Гусейнов; М.А. Тулегенова (2022). «Анализаторы электростатической энергии с коническим лицом и полем для исследования наноматериалов». Дж. Электр. Спектр. Отн. Феномен. 257.
^ Барабаш, С.; Лундин, Р.; Андерссон, Х.; Бринкфельдт, К.; Григорьев А.; Гунелл, Х.; Хольмстрем, М.; Ямаути, М.; Асамура, К.; Бохслер, П.; Вурц, П.; Черулли-Ирелли, Р.; Мура, А.; Милилло, А.; Магги, М.; Орсини, С.; Коутс, Эй Джей; Линдер, доктор медицинских наук; Катария, DO; Кертис, CC; Се, Коннектикут ; Сандел, БР; Фрам, РА; Шарбер, младший; Виннингем, доктор юридических наук; Гранде, М.; Каллио, Э.; Коскинен, Х.; Риихела, П.; и др. (2007). «Анализатор космической плазмы и энергетических атомов (АСПЕРА-3) для миссии «Марс-Экспресс»» . Обзоры космической науки . 126 (1–4): 113–164. дои : 10.1007/s11214-006-9124-8 . S2CID 189767397 .
^ «Инструменты орбитального аппарата» . sci.esa.int . Проверено 26 июня 2019 г.

[1] Ильин, А.М. (2003). «Новый класс электростатических энергоанализаторов с цилиндрическим торцевым полем». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . Секция А. 500 (1–3): 62–67. Бибкод : 2003NIMPA.500...62I . дои : 10.1016/S0168-9002(03)00334-6 .

[2] Ильин А.М.; Ильина, И.А. (2005). «Новые электростатические энергоанализаторы с ограниченным цилиндрическим полем» . Измерительная наука и технология . 16 (9): 1798–1801. Бибкод : 2005MeScT..16.1798I . дои : 10.1088/0957-0233/16/9/012 . ISSN 0957-0233 . S2CID 121955696 .

[3] Ильин А.М. и И.А. Ильина (2007). «Электростатический анализатор энергии лицевого поля для космических и плазменных измерений». Измерительная наука и технология . 18 (3): 724–726. Бибкод : 2007MeScT..18..724I . дои : 10.1088/0957-0233/18/3/023 . S2CID 121520374 .

[4] Ильин, А.М.; Н.Р. Гусейнов; М.А. Тулегенова (2022). «Анализаторы электростатической энергии с коническим лицом и полем для исследования наноматериалов». Дж. Электр. Спектр. Отн. Феномен. 257.

[5] Барабаш, С.; Лундин, Р.; Андерссон, Х.; Бринкфельдт, К.; Григорьев А.; Гунелл, Х.; Хольмстрем, М.; Ямаути, М.; Асамура, К.; Бохслер, П.; Вурц, П.; Черулли-Ирелли, Р.; Мура, А.; Милилло, А.; Магги, М.; Орсини, С.; Коутс, Эй Джей; Линдер, доктор медицинских наук; Катария, DO; Кертис, CC; Се, Коннектикут ; Сандел, БР; Фрам, РА; Шарбер, младший; Виннингем, доктор юридических наук; Гранде, М.; Каллио, Э.; Коскинен, Х.; Риихела, П.; и др. (2007). «Анализатор космической плазмы и энергетических атомов (АСПЕРА-3) для миссии «Марс-Экспресс»» . Обзоры космической науки . 126 (1–4): 113–164. дои : 10.1007/s11214-006-9124-8 . S2CID 189767397 .

[6] «Инструменты орбитального аппарата» . sci.esa.int . Проверено 26 июня 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]