RU173873U1 - Device for measuring the specific charge of micron-sized particles - Google Patents
Device for measuring the specific charge of micron-sized particles Download PDFInfo
- Publication number
- RU173873U1 RU173873U1 RU2016150970U RU2016150970U RU173873U1 RU 173873 U1 RU173873 U1 RU 173873U1 RU 2016150970 U RU2016150970 U RU 2016150970U RU 2016150970 U RU2016150970 U RU 2016150970U RU 173873 U1 RU173873 U1 RU 173873U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- trap
- measuring
- particle
- micron
- charge
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R3/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture or maintenance of measuring instruments, e.g. of probe tips
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)
Abstract
Использование: для измерения заряда частиц микронного размера. Сущность полезной модели заключается в том, что устройство для измерения удельного заряда частиц микронного размера включает линейную квадрупольную электродинамическую ловушку, стержневые электроды, на которые подаётся переменный электрический потенциал, расположеные вертикально, в нижней части ловушки расположен торцевой электрод с постоянным потенциалом, нижний торцевой электрод выполнен в виде сферы, которая установлена на тонком металлическом держателе, радиус которого много меньше радиуса сферы. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения заряда частиц. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.Usage: for measuring the charge of micron-sized particles. The essence of the utility model is that a device for measuring the specific charge of micron-sized particles includes a linear quadrupole electrodynamic trap, rod electrodes that are supplied with an alternating electric potential located vertically, an end electrode with a constant potential is located in the lower part of the trap, the lower end electrode is made in the form of a sphere, which is mounted on a thin metal holder, the radius of which is much smaller than the radius of the sphere. Effect: providing the possibility of increasing the accuracy of measuring the charge of particles. 1 s.p. f-ly, 2 ill.
Description
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.The utility model relates to the field of measurement technology, specifically to devices for measuring the charge of micron-sized particles and can be used both in laboratory research and in various industries, such as microelectronics, mechanical engineering, energy and chemical production, for the diagnosis and control of dispersed solid phases.
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.Known devices for measuring particle charges based on electrodynamic traps of cylindrical and linear types, often called Paul traps, in which charged particles are captured and oscillated in a combination of alternating and constant electric fields. A known method of measuring the specific charge of particles in air at atmospheric pressure in a cylindrical electrodynamic trap Paul, based on the registration of the displacement of the position of the oscillating particles caused by exposure to a particle of a constant electric field on the lower electrode [N. Winter and H.W. Ortjohann, Simple demonstration of storing macroscopic particles in a "Paul trap", Am. J. Phys., 1991, v. 59, p. 807]. The trap consists of a central grounded electrode, made in the form of a ring of wire with a diameter of 3 mm, and two end ball electrodes located above and below the wire ring along the Z axis, which coincides with the direction of gravity. An alternating voltage is applied to the ball electrodes. In this case, the particle oscillates along the Z axis from the upper ball electrode to the lower one. Applying an additional constant potential to the upper ball electrode shifts the position of the point relative to which the particle oscillates along the vertical Z axis. Registering the average vertical displacement of the oscillating particle makes it possible to determine its charge.
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.The disadvantage of this solution is that in order to carry out sufficiently accurate measurements in the presence of an oscillatory process superimposed on a constant bias, the observation time should be much longer than the oscillation period, and, in the case when it is necessary to determine the particle charge from one or several snapshots, this method gives a big error. For optical registration of particle displacement, the authors are forced to use a middle electrode in the form of a ring of wire, as a result of which the electric fields become very inhomogeneous. The measured particle can move along elliptical trajectories at small distances between the spherical electrodes, since the fields inside the trap are very inhomogeneous at the ends of both spherical and ring electrodes, which additionally leads to a deterioration in the measurement accuracy. In general, the accuracy of determining the specific charge when the particle performs oscillations is low. The measurement error also increases due to the fact that for micron particles the air resistance force differs from the Stokes law and depends on the size and shape of the particles, which is not always known.
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.Closest to the claimed utility model is a device based on a linear quadrupole electrodynamic trap. A five-electrode linear quadrupole electrodynamic trap is known with an additional fifth electrode at the end of the trap, adopted as a prototype, in which a method for measuring the specific charge of droplets of a few hundred microns in air at atmospheric pressure based on recording the position shift of an oscillating particle along linear electrodes can be implemented when exposed to a constant electric field [D. Hu and B. Makin, Study of a five-electrode quadrupole levitation System, IEE Proceedings-A, 1991, V. 138, No. 6, p. 320]. The trap consists of four linear coaxial electrodes arranged vertically. An alternating voltage is applied to the linear electrodes, with the help of which an electric field is created, forming an electrodynamic trap for holding charged particles in a horizontal plane. The distance between the linear electrodes is much less than their length, which creates an alternating electric field inside the trap that does not have a longitudinal component. In this case, the charged particle will oscillate only in a horizontal plane perpendicular to the linear electrodes. In the lower part of the trap, at the intersection of the diagonals from the opposite linear electrodes, a fifth electrode with a hemispherical end face, at which a constant potential is applied, is installed. By changing the value of the constant voltage at the hemispherical electrode, it is possible to compensate for the weight and fix the specified distance of the particle from the electrode. The measurement of the position of the particles in the trap, according to which the value of the specific charge is calculated, is carried out by the optical method.
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.The disadvantage of this method is the significant error in determining the specific charge, which reached 30% compared with the calculated one, which can be explained by the influence of edge effects and structural elements on the measurement results. In this case, the particle may be in the zone of action of the distorted electric field, which leads to a discrepancy between experimental and theoretical results.
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.The technical result of the utility model is to increase the accuracy of measuring the charge of micron-sized particles by reducing the influence of the edge effects of distortion of the electric field at the ends of the linear electrodynamic trap and eliminating the influence of the dielectric base on the results of fixing the position of charged particles in the trap.
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.To achieve the technical result, the end electrode is made in the form of a sphere, which is mounted on a thin metal holder, to increase the distance between the spherical electrode and the lower end of the trap, and thereby reduce the influence of end effects. A thin holder is chosen so that it has a slight effect on the distribution of the electric field of the sphere during measurements, as well as to reduce the mutual capacitance between the holder and linear electrodes.
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.The technical result is achieved by the fact that the specified spherical electrode is installed at a distance of at least four radii of its sphere from the lower end of the linear trap. Removing a spherical electrode at such a distance reduces the influence of the electric fields of the image and the polarization of the dielectric elements that are structurally present in the end of the trap.
Таким образом, применения торцевого сферического электрода, установленного на расстоянии не менее четырех радиусов до торцевой стенки ловушки, позволяет повысить точность определения удельного заряда частиц.Thus, the use of an end spherical electrode mounted at a distance of at least four radii from the end wall of the trap allows one to increase the accuracy of determining the specific charge of particles.
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.A diagram of a device that implements the proposed method is presented in FIG. 1. The device includes four identical metal electrodes of circular cross section 1 (side electrodes) mounted vertically on a
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 частицейThe operation of the device by the proposed method is as follows. On the side electrodes of the trap, located on different diagonals, an alternating voltage is applied, the same in amplitude, but phase shifted by 180 °. In an alternating electric field in the horizontal section of the trap, a potential well is formed for charged particles, where the minimum potential falls on the central axis of the trap. To compensate for the weight of the particle, the potential V repelling the particle is supplied to the
, ,
где m - масса частицы, g - ускорение свободного падения, ε0 - 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 формулеwhere m is the particle mass, g is the gravitational acceleration, ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε is the dielectric constant of air, q is the charge of the particle under study, Q is the charge of a spherical electrode, is the distance from the particle to the center of the spherical electrode, R is the radius of the spherical electrode. The charge of the spherical electrode Q is expressed through the potential V according to the formula
. .
Подставляя выражение заряда сферического электрода в исходное равенство сил, формула для расчета удельного заряда частицы будет выглядеть следующим образом:Substituting the expression of the charge of the spherical electrode in the initial equality of forces, the formula for calculating the specific charge of the particle will look like this:
. .
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%.This device was tested to measure the charge of a particle acquired by it in a corona discharge. In FIG. Figure 2 shows a photograph of a working device with a captured
Таким образом, заявленное техническое решение обеспечивает более точное определение удельного заряда заряженных частиц.Thus, the claimed technical solution provides a more accurate determination of the specific charge of charged particles.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016150970U RU173873U1 (en) | 2016-12-26 | 2016-12-26 | Device for measuring the specific charge of micron-sized particles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016150970U RU173873U1 (en) | 2016-12-26 | 2016-12-26 | Device for measuring the specific charge of micron-sized particles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU173873U1 true RU173873U1 (en) | 2017-09-15 |
Family
ID=59894233
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016150970U RU173873U1 (en) | 2016-12-26 | 2016-12-26 | Device for measuring the specific charge of micron-sized particles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU173873U1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6710334B1 (en) * | 2003-01-20 | 2004-03-23 | Genspec Sa | Quadrupol ion trap mass spectrometer with cryogenic particle detector |
RU2372686C2 (en) * | 2004-05-26 | 2009-11-10 | Вэриэн, Инк. | Linear ion trap and method of controlling movement of ions using asymmetrical confinement field |
RU99267U1 (en) * | 2010-05-17 | 2010-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет) (МИРЭА) | TRIMIX PLASMA TRAP |
-
2016
- 2016-12-26 RU RU2016150970U patent/RU173873U1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6710334B1 (en) * | 2003-01-20 | 2004-03-23 | Genspec Sa | Quadrupol ion trap mass spectrometer with cryogenic particle detector |
RU2372686C2 (en) * | 2004-05-26 | 2009-11-10 | Вэриэн, Инк. | Linear ion trap and method of controlling movement of ions using asymmetrical confinement field |
RU99267U1 (en) * | 2010-05-17 | 2010-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (Технический университет) (МИРЭА) | TRIMIX PLASMA TRAP |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
D. Hu and В. Makin, Study of a five-electrode quadrupole levitation System, IEE Proceedings-A, 1991, V. 138. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN114414905B (en) | Method and device for measuring electric field based on suspended particles | |
Yang et al. | A high sensitivity SOI electric-field sensor with novel comb-shaped microelectrodes | |
Yamins et al. | A new method of studying the electrical properties of monomolecular films on liquids | |
US20150008932A1 (en) | Charged particle detector | |
Intra et al. | Progress in unipolar corona discharger designs for airborne particle charging: A literature review | |
RU173873U1 (en) | Device for measuring the specific charge of micron-sized particles | |
KR101729149B1 (en) | A Hydrogel-based Energy Harvester with Broad Bandwidth Driven by Ambient Vibration | |
Kim et al. | Integrated particle detection chip for environmental monitoring | |
US10797617B2 (en) | Electromechanical transducer | |
Zheng et al. | An octopole electrodynamic balance for three-dimensional microparticle control | |
Zhakin et al. | Experimental study of the outflow of charged drops and jets | |
Keim et al. | The dynamic behaviour of water drops in an AC field | |
CN105917193A (en) | Inertial sensor with nested seismic masses and method for manufacturing the sensor | |
Yasuoka et al. | Identification of particle parameters through matching of computed and measured trajectories | |
JP2008298634A (en) | Method and device for measuring electrical charge of particle | |
KR20110049291A (en) | Method for measuring the resonance of chaotic system using connected chaos pendulum | |
CN117214552B (en) | Conductor surface potential measuring method based on periodic variation of torsion balance | |
RU2594071C1 (en) | Helix sensor | |
Zou et al. | A Flexible, Adaptive, and Self‐Powered Triboelectric Vibration Sensor with Conductive Sponge‐Silicone for Machinery Condition Monitoring | |
Demel | Investigation on a MEMS electric field sensor based on alternating charges | |
Zouzou et al. | EHD flow in DBD precipitator | |
Tsuchiya et al. | Thermomechanical noise of arrayed capacitive accelerometers with 300-NM-gap sensing electrodes | |
Liu et al. | Charging and characterization of non-patterned organic micro electret arrays | |
Akin-Ponnle et al. | Power Variation with Electret Surface Potential and Frequency of Vibration in Vertical Vibration based Cantilever-Electret Micro-Power Generation | |
Van Hieu et al. | Design and simulation analysis of an electrostatic actuator for improving the performance of scanning probe nanolithography |