Un analizador electrostático o ESA es un instrumento utilizado en óptica iónica que emplea un campo eléctrico para permitir el paso únicamente de aquellos iones o electrones que tienen una energía específica determinada . Por lo general, también enfoca estas partículas (las concentra) en un área más pequeña. Los ESA se utilizan normalmente como componentes de la instrumentación espacial, para limitar el rango de energía de escaneo (detección) y, por lo tanto, también el rango de partículas objetivo para la detección y la medición científica. El análogo más cercano en óptica fotónica es un filtro .
Los analizadores electrostáticos se diseñan en diferentes configuraciones. Una versión sencilla es un analizador cilíndrico radial, que consta de dos placas paralelas curvas con diferentes potenciales. Los iones o electrones entran en el analizador por un extremo y pasan por el otro extremo o chocan con las paredes del analizador, dependiendo de su energía inicial. En este tipo de analizadores, solo el componente radial de la velocidad de una partícula cargada es modificado por un ESA, ya que el potencial en las placas solo varía en la dirección radial si se considera la geometría en coordenadas cilíndricas. La ecuación de Poisson se puede utilizar entonces para calcular la magnitud del campo eléctrico que apunta radialmente hacia adentro. La fuerza resultante que apunta hacia adentro generada por este campo eléctrico hará que las trayectorias de las partículas se curven en un movimiento circular uniforme. Dependiendo de la energía inicial (velocidad), solo ciertas partículas tendrán el movimiento "correcto" para salir del analizador siguiendo su estructura física, mientras que otras chocarán contra las paredes del instrumento. Además de la energía, el ángulo de entrada también afectará el tiempo de vuelo de las partículas a través del analizador, así como el ángulo de salida. En la práctica, las placas suelen tener cargas opuestas y potenciales muy altos. Además, la superficie interior del analizador, que suele estar hecha de aluminio para misiones espaciales, a veces está revestida con cromo negro o incluso con Ebonol C para absorber la luz dispersa, en lugar de permitir que rebote.
La conocida clase de analizadores de energía de campo frontal cilíndricos y un tipo más reciente de analizadores de energía electrostática de campo frontal cónicos son instrumentos muy útiles con un campo de aplicación muy amplio. Estos instrumentos pueden lograr una resolución de energía muy alta combinada con una gran apertura de aceptación, lo que es muy importante para las mediciones de flujos de plasma en el espacio. [1] [2] Esta nueva clase de analizadores se puede utilizar en una variedad de aplicaciones para estudiar objetos con diferentes formas y tamaños, [3] y para el análisis de objetos remotos en la exploración de nanomateriales dentro de un conjunto de métodos diferentes. [4] [5]
Los ESA generalmente se diseñan y analizan utilizando un paquete de software de simulación de óptica iónica disponible en el mercado que incluye la capacidad de realizar simulaciones de Monte Carlo en partículas de prueba conocidas, lo que proporciona al diseñador una mejor comprensión de las características de respuesta del propio analizador.
Ejemplos de instrumentos o misiones espaciales que utilizan analizadores electrostáticos: