テイラーコーン

テイラーコーンとは、電界紡糸、電界噴霧、および流体噴霧プロセスで観察されるコーンのことで、そこから閾値電圧を超える荷電粒子のジェットが放出されます。質量分析における電界噴霧イオン化の他に、テイラー コーンは、宇宙船の精密制御と高効率 (低電力) 推力に使用される電界放出電気推進(FEEP) およびコロイド スラスタでも重要です。

この円錐は、エレクトロスプレーが「発見」される前の1964年にジェフリー・イングラム・テイラー卿によって説明されました。 ^[1]この研究は、強い電界内でグリセリンの円錐ジェットを撮影したゼレニーの研究^{[2]と、ウィルソンとテイラー（1925年）、 [3]}ノーラン（1926年）^[4]およびマッキー（1931年）の研究に続くものでした。^[5]テイラーは主に、雷雨などの強い電界内での水滴の挙動に興味を持っていました。

少量の導電性液体を電界にさらすと、液体の形状は表面張力のみによって生じる形状から変形し始めます。液体は分極し^[6]、電圧が増加するにつれて電界の影響がより顕著になります。これにより、液滴の周囲に強力な電界が発生します^[6]この電界の影響により、表面張力と同程度の力が液滴に及ぼされ始めると、凸面と丸い先端を持つ円錐形状が形成され始めます。これは、全角 (幅) が 98.6° の円錐の形状に近づきます^[1] 。特定のしきい値電圧に達すると、わずかに丸い先端が反転して液体のジェットを放出します。これはコーン ジェットと呼ばれ、イオンがガス相に移動するエレクトロスプレープロセスの始まりです。安定したコーン ジェットを実現するには、しきい値よりもわずかに高い電圧を使用する必要があることが一般的にわかっています。電圧をさらに増加させると、液滴の崩壊の他のモードが見つかります。テイラー コーンという用語は、正確に予測された角度の完全なコーンの理論的限界を具体的に指す場合もあれば、一般的には、電気噴霧プロセスが開始された後のコーン ジェットのほぼ円錐状の部分を指す場合もあります。

テイラーコーンは、前述のコーンジェットのように静止している場合もあれば、液滴がクーロン爆発を起こしたときに形成される一時的な場合もあります。^[7]

ジェフリー・イングラム・テイラー卿は 1964 年にこの現象について説明しました。この現象は、このような条件下で完全な円錐を形成するには半垂直角 49.3° (全角 98.6°) が必要であるという一般的な仮定に基づいて理論的に導き出され、ジェット形成直前にこのような円錐の形状が理論的な形状に近づくことを実証しました。この角度はテイラー角として知られています。この角度は、より正確には、(次数 1/2 のルジャンドル関数)の最初のゼロである場所です。 ${\displaystyle \pi -\theta _{0}\,}$${\displaystyle \theta _{0}\,}$${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

テイラーの導出は、(1) 円錐の表面が等電位面であること、(2) 円錐が定常平衡状態にあることという 2 つの仮定に基づいています。これらの両方の条件を満たすには、電場が方位対称性を持ち、円錐を形成する表面張力に対抗する依存性を持っている必要があります。この問題の解決法は次のとおりです。 ${\displaystyle {\sqrt {R}}\,}$

${\displaystyle V=V_{0}+AR^{1/2}P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$

ここで、（等電位面）は（R に関係なく）の値で存在し、等電位円錐を生成します。すべての R に対して必要な角度は0 から 0 の間のゼロであり、 130.7099° に 1 つだけ存在します。この角度の補角はテイラー角です。 ${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle \theta _{0}}$${\displaystyle V=V_{0}\,}$${\displaystyle P_{1/2}(\cos \theta _{0})\,}$${\displaystyle \pi \,}$