Summary
Carregamento de pó e mobilização é demonstrada em três experimentos com exposição de plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons somente ou apenas radiação ultravioleta (UV). Estas experiências apresentam a compreensão avançada do transporte do pó eletrostática e seu papel em moldar as superfícies dos corpos planetários mal ventilados.
Abstract
Transporte de pó eletrostática tem sido a hipótese para explicar uma série de observações de fenômenos planetários incomuns. Aqui, está demonstrado usando três recentemente desenvolvidos experimentos na qual poeira partículas estão expostas a plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons somente ou apenas radiação ultravioleta (UV). A fonte de luz UV tem uma largura de banda estreita em comprimento de onda centrado em 172 nm. Os elétrons do feixe com a energia de 120 eV são criados com um filamento quente negativamente inclinado. Quando a câmara de vácuo é preenchida com o gás argônio, um plasma térmico é criado além do feixe de elétrons. Partículas de pó isolante de algumas dezenas de Micra de diâmetro são usadas nos experimentos. Partículas de poeira são registradas para ser lofted para uma altura até alguns centímetros com uma velocidade de lançamento até 1 m/s. Estes experimentos demonstram que a emissão de foto e/ou secundária de elétrons de uma superfície empoeirada altera o mecanismo de carregamento de partículas de poeira. De acordo com o recentemente desenvolvido "modelo de carga de remendado", os elétrons emitidos podem ser re-absorvidos dentro microcavities entre vizinhos de partículas de poeira abaixo da superfície, causando o acúmulo de cargas negativas reforçadas na poeira circundante partículas. As forças repulsivas entre estas negativamente carregadas de partículas podem ser grandes o suficiente para mobilizar e levantá-los fora da superfície. Estas experiências apresentam a compreensão avançada de poeira de carregamento e transporte em superfícies empoeiradas e estabelecido uma base para futuras investigações de seu papel na evolução superfície de corpos planetários mal ventilados.
Introduction
Sem ar corpos planetários, como a lua e os asteroides, são cobertos com partículas de poeira fina, chamada regolito. Estes corpos sem ar, ao contrário da terra, são diretamente expostos a plasma do vento solar e solar radiação ultravioleta (UV), fazendo com que a poeira do regolito a cobrar. Cobrado por estas partículas de poeira podem, portanto, ser mobilizadas, lofted, transportadas, ou mesmo ejetadas e perdeu da superfície devido a forças eletrostáticas. A primeira evidência deste processo eletrostático sugeria o chamado "brilho do horizonte lunar", um distinto brilho acima do horizonte ocidental observado logo após o pôr do sol pela sonda espacial Surveyor 5, 6 e 7 há cinco décadas (Figura 1a)1, 2,3. Isso tem sido a hipótese de que esse brilho foi causado pela luz solar espalhada fora de partículas de poeira eletrostaticamente elevados (raio de 5 μm) a uma altura < 1 m acima da superfície perto do terminador lunar1,2,3. Pó fino eletrostaticamente lançado também foi sugerido para ser responsável para as serpentinas, como raio atingindo uma altitude elevada, relatada por Apollo astronautas4,5.
Desde que estas observações de Apollo, uma série de observações sobre os outros corpos airless também foram vinculados aos mecanismos de mobilização de pó eletrostático ou lofting, tais como os raios radiais em de Saturno anéis6,7, 8, as lagoas de poeira no asteroide Eros (Figura 1b)9 e cometa 67 P10, as superfícies porosas indicaram de espectros asteroide asteroide11, excepcionalmente suave superfície de Saturno gelada lua Atlas12e o regolito em redemoinhos lunar13. Além disso, a degradação da retrorefletores do laser na superfície lunar pode ser também causada pelo acúmulo de poeira eletrostaticamente elevados14.
Estudos de laboratório tem sido em grande parte motivados por estas observações espaço incomum para entender os processos físicos de poeira de carregamento e transporte. Mobilização de poeira tem sido observada em várias condições de plasma, no qual as partículas de poeira são lançar fora de um vidro esfera superfície15,16, levitava no plasma bainhas17e gravou para mover-se em regência e isolamento superfícies18,19,20,21. No entanto, como partículas de poeira ganham cargas grandes o suficiente para ser lofted ou mobilizado permaneceu mal compreendido. As medições das acusações sobre partículas individuais em uma superfície lisa22 e a densidade de carga média em uma superfície empoeirada23 imergido em plasmas mostram que as acusações são demasiado pequenas para partículas de poeira a ser lofted ou mobilizados.
Na prévia teorias16,24,25, o carregamento era apenas considerado ocorrer sobre a camada de superfície superior diretamente exposto ao UV ou plasma. As acusações são muitas vezes consideradas para ser distribuído uniformemente sobre toda a superfície empoeirada, ou seja., cada partícula de poeira individual adquire a mesma quantidade de carga, descrita pelo chamado "modelo de custo compartilhado"16. No entanto, as taxas calculadas a partir deste modelo são muito menores do que a força gravitacional sozinha. Uma teoria de flutuação de carga que contas para o processo estocástico dos fluxos de elétrons e íons para a superfície de16,24 mostra um reforço temporal na força eletrostática, mas continua a ser pequena em comparação com o força gravitacional.
Neste trabalho, é demonstrado eletrostática pó elevar e mobilização usando três recentemente desenvolvidos experimentos26, que são importantes para a compreensão do transporte de poeira sobre o regolito de corpos planetários mal ventilados. Estas experiências são realizadas nas condições de plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons apenas ou radiação UV só. Estes experimentos demonstram a validade do modelo de carga desenvolvida recentemente "remendado"26,27, no qual microcavities formado entre vizinhos de partículas de poeira na superfície podem re-absorver a foto emitida e/ou secundária de elétrons, gerando grande negativo cargas nas superfícies das partículas de poeira vizinhas. As forças repulsivas entre estas cargas negativas podem tornar-se grande o suficiente para mobilizar ou retire as partículas de poeira.
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Protocol
1. instalação de câmara de vácuo
- Coloque uma folha de borracha isolante (0,2 cm de espessura, 5 cm de diâmetro) com um furo central de 1,9 cm de diâmetro sobre uma placa isolante (2 cm de espessura e 20 cm de diâmetro) (Figura 2a, b). Carga de isolamento, de forma irregular em forma de partículas de poeira (entre 10 e 50 μm de diâmetro) no buraco.
- Coloque a placa de isolamento em uma pé de placa de metal no meio de uma câmara de vácuo. Isole eletricamente a placa de metal da câmara usando espaçadores de cerâmicas.
- Ligar as bombas de vácuo (uma bomba turbo, apoiada por uma bomba mecânica de desbaste) para alcançar a pressão base de ~ 10-6 Torr. Os experimentos demonstram são executados em uma câmara cilíndrica de vácuo aço inoxidável, 50 cm de diâmetro e 28 cm de altura (Figura 2C).
- Registre o movimento de pó e elevar com uma câmera de vídeo a uma velocidade regular de 30 quadros/s (fps) ou uma câmera de alta velocidade (> 2000 fps). Use um diodo emissor de luz com a intensidade de iluminação máxima equivalente a > 500W incandesce luz para produzir suficiente iluminação das partículas de poeira para gravação de vídeo de boa qualidade.
Nota: Usando a borracha é por causa de sua cor escura que minimiza a reflexão da luz para a câmera. Partículas de poeira clara devem ser usadas para fotografar melhor devido ao contraste de cor para o revestimento escuro. A chapa de espessura isolante é usada para eliminar o efeito do campo elétrico entre a superfície da placa isolante e placa de metal sobre o carregamento de pó e mobilização. Nesta demonstração, simulador de Marte (JSC-Mars-1, peneirada para o diâmetro médio de 38-48 μm, densidade de massa de 1,9 g/cm-3 e composição principal de SiO2 28) foram usados, que se assemelha a poeira de regolito geral dos corpos mal ventilados no interno sistema solar. Vários outros tipos de partículas de poeira de isolamento também foram testados, como o simulador lunar (JSC-1), highland simulador lunar (LHT) e poeira de sílica pura.
2. exposição de plasma térmico com os elétrons do feixe
- Anexar um filamento de tungstênio thoriated (0,1 mm de espessura e ~ 3 cm de comprimento) para uma passagem de eletrodo e instalá-lo no topo da câmara. Então a bomba na câmara até a pressão de base.
- Encha a câmara de vácuo com gás argônio à pressão do ~ 0.5 mTorr.
- Ligue o fornecimento de energia e definir a tensão de polarização -120 V para o filamento.
- Aumentar a tensão de aquecimento para o aquecimento atual ~ 2A até a emissão atual atinge um valor desejado (alguns mA). Elétrons energéticos com a energia de 120 eV serão emitidos do filamento.
Nota: Esses elétrons de feixe-como principais impacto átomos de argônio neutra, levando-os a ser ionizado e a criação de um plasma com uma temperatura de elétrons em torno de 2 eV. Uma grande fração dos elétrons do feixe primário atinge diretamente a superfície empoeirada sem colisões com átomos neutros. Partículas de poeira, portanto, estão expostas a ambos os térmica plasma e feixe de elétrons. - Para mostrar o papel dos elétrons do feixe energético no transporte de pó, use uma operação alternativa de criação de um plasma térmico acima de partículas de poeira.
- Ligue um filamento alternativo na parte inferior da câmara com a tensão de polarização -40 V e emissão atual até 400 mA (Figura 2a). Os elétrons primários emitidos a partir do filamento serão interrompidos pela placa de metal abaixo da placa insultante na qual as partículas de poeira descansar (Figura 2a, b).
- Varia a emissão atual para alterar o campo elétrico acima da superfície. Corrente superior cria maior densidade do plasma, bainha mais fina e, portanto, maior campo elétrico.
3. exposição ao feixe de elétrons apenas
- Instalação do experimento conforme descrito no experimento acima usando o filamento de topo.
- Ligue o filamento superior sob a pressão de base 10-6 Torr (i. e., nenhum gás argônio alimentados na câmara). Plasma não é criado quando somente os elétrons do feixe 120 eV emitido do bombardeiam filamento as partículas de poeira.
- Opere o filamento em dois modos diferentes.
- Definir a tensão de polarização de -120 V e, em seguida, aumentar a tensão de aquecimento até a emissão atual atinge alguns mA.
- Aumentar a tensão de aquecimento para alcançar um aquecimento desejado atual ~ 2 A, em seguida aumentar a tensão de polarização de 0 V gradualmente para -120 V para emitir elétrons com uma corrente de emissão de alguns mA.
4. a exposição à radiação UV só
- Substitua o filamento superior com uma lâmpada UV (Figura 2b) e bomba para baixo da câmara à pressão de base. Use uma lâmpada Osram excimer de xénon, que emite luz de comprimento de onda de 172 nm a UV. A energia do photon correspondente é 7,2 eV, maior do que a função do trabalho da superfície de pó (~ 5,5 eV) para emitir photoelectrons.
Nota: Mais curto comprimento de onda UV que irradia fótons de energia maiores é esperado para criar mais acusações sobre as partículas de poeira e, portanto, mais mobilização, baseada o modelo de carga remendado26,27. - Ligue a lâmpada UV para irradiar partículas de poeira. Na demonstração, a irradiância de fóton é 40 mW/cm-2 na fonte de UV e ~ 16 mW/cm-2 na superfície empoeirada.
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Representative Results
Um conjunto de experimentos foram realizados usando os filamentos superior ou inferior. Com a instalação de topo do filamento, o salto de partículas de poeira foi gravado (Figura 3a). Em contraste, as partículas de poeira permaneceram em repouso quando usando o filamento de fundo. Isso foi medido que o campo elétrico vertical na superfície era aproximadamente mesmo (16 V/cm) em ambos os experimentos nas condições descritas no protocolo passo 226. Estes resultados indicam que a força eletrostática devido ao campo elétrico de bainha não é grande o suficiente para mobilizar as partículas de poeira. A única diferença entre estas duas experiências é a presença (usando o filamento superior) ou ausência (usando o filamento de fundo) de elétrons de feixe bombardeando a superfície.
Potenciais de toda a poeira e fora as superfícies de borracha, medidas por Wang et al. 26 mostraram que elétrons secundários foram gerados devido ao bombardeio de elétrons energéticos feixe enquanto minimizado no plasma no qual os elétrons são termalizados. Mais importante, estas medições potenciais têm mostrado que a emissão de elétron secundário foi reduzida em grande parte na superfície empoeirada, comparando ao que sobre a superfície sólida26. Isto é provavelmente devido a aspereza de superfície que pode re-absorver elétrons emitido20,29,30,31,32,33.
Conforme descrito no protocolo 3.3.1, elétrons secundários são criados quando os elétrons do feixe 120 eV emitido a partir do filamento alcance a superfície, fazendo com que a superfície potencial para subir para se tornar mais positiva do que -120 V. Neste caso, as partículas de poeira foram mobilizadas e lofted da superfície (Figura 3b). Em 3.3.2, nenhum movimento de poeira foi registrado. Isso foi medido que o potencial de superfície simplesmente segue a tensão de polarização do filamento para tornar-se-120 V26. Isto é porque a tensão de filamento começa muito pequeno, i. e., a energia de elétrons de feixe correspondente é muito baixa, e o rendimento de elétron secundário é quase zero então o potencial de superfície é igual à energia dos elétrons feixe (em eV) para impedi-los de manter uma corrente zero-rede no estado de equilíbrio. O incremento da tensão de filamento é gradual, em comparação com a resposta do plasma, para que o incremento de tensão é muito pequeno para criar qualquer elétrons secundários. Portanto, a potencial de superfície segue-se a tensão de filamento, fazendo com que os elétrons do feixe ser impedido de alcançar a superfície e, portanto, suprimindo a emissão de elétrons secundários. Novamente, esta experiência mostra que a geração de elétrons secundário contribui significativamente para o processo de carregamento e transporte de poeira.
A poeira da lupulagem foi gravada sob a radiação de UV 172 nm (Figura 3C). Uma bainha de fotoelétron é criada acima da superfície, em que o campo elétrico é muito pequeno ~ 0.5 V/cm34. A força eletrostática devido ao campo elétrico de bainha, portanto, é insignificante. Como mostrado pela Schwan et al. 27, partículas de poeira elevados sob radiação UV carregam grandes cargas negativas. Este resultado contradiz a carga positiva esperada devido à Fotoemissão enquanto está de acordo com o "modelo de carga remendado" descrito abaixo.
Também foi realizada a longa exposição das partículas de poeira sob a radiação UV. A Figura 4 mostra as alterações na morfologia da superfície, em função do tempo. A superfície torna-se mais suave e eventualmente aplaina para fora, oferecendo um processo eficiente para as lagoas de pó formado no asteroide Eros (Figura 1b), por exemplo.
As três experiências demonstradas acima mostrar que poeira lofting ocorre quando a foto e/ou secundário os elétrons são emitidos de uma superfície empoeirada, e esses elétrons emitidos podem ser re-absorvidos dentro da superfície devido a sua aspereza. O "remendado modelo carga" desenvolvido por Wang et al. 26 foi com base nesses dois resultados e é revisto brevemente abaixo.
Como mostrado na Figura 5, ao contrário de uma superfície sólida Lisa, microcavities são formadas entre as partículas de poeira abaixo de uma superfície de regolito. As superfícies superiores (manchas azuis) são cobradas por ionização devido à radiação UV e/ou plasma elétrons e íons. Existem pequenas aberturas entre as partículas de poeira na superfície superior. Alguns dos fótons UV, ou elétrons e íons podem penetrar através destas pequenas aberturas para as partículas de poeira na superfície superior, criando photoelectrons e/ou secundária de elétrons. Muitos destes elétrons emitidos não escapam e são re-absorvidos dentro os microcavidade e depósito de cargas negativas na superfície das partículas circundantes (manchas vermelhas).
A carga sobre os patches de superfície azuis é Qb 
Eb, onde a Eb é o campo elétrico de bainha acima da superfície empoeirada. As manchas vermelhas são cobradas para Qr Er, onde Er é o campo elétrico dentro da microcavidade. Eb 1 / λDe, onde λDe é o comprimento de Debye enquanto Er 1/r, onde estão é o raio de partículas individuais poeira, aproximadamente semelhante ao tamanho característico da microcavidade. Por causa de λDe >> r, Er >> Eb e, portanto, Qr >> Qb. A carga negativa em grande parte reforçada Qr pode criar uma grande suficiente força repulsiva entre duas partículas carregadas negativamente, que ejeta-los fora da superfície. Depósitos de carga grande (da ordem de 0,5 denominado/m2) dentro de uma superfície empoeirada devido à reabsorção dos photoelectrons são também observados em uma simulação de computador35.
Figura 1. Fotos de dois exemplos dos fenômenos de superfície incomuns relacionados com o transporte de pó eletrostático. o brilho de horizonte lunar tirado pelo Surveyor 7 nave3 (foto NASA). (b) multa depósitos de poeira em uma cratera, o so-called "lagoa de poeira" asteroide 433 Eros, tomadas pela espaçonave NEAR-Shoemaker9. Setas e círculo indicam toporgraphies pré-existentes. Praça destaca uma lagoa pequena poeira isolado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Aparato experimental e instalação. (a) esquema da instalação experimental para exposição de poeira a um plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons apenas ou UV radiação única26. (b) foto mostrando a configuração para o experimento de UV dentro da câmara e (c) imagens da câmara de vácuo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Imagens das trajectórias de poeira elevada26. Exposição de plasma (a) com 120 eV feixe de elétrons, (b) 120 eV feixe de elétrons e radiação UV (c), respectivamente. Uma caixa azul no (a) destaques as trajetórias de partículas de poeira elevados. Uma caixa azul, em (c) destaca a trajetória de uma partícula de poeira elevados com uma visão ampliada. As partículas de poeira elevados incluem agregados tão grandes quanto a 140 m de diâmetro, além de partículas individuais (38-45 m de diâmetro). Esta figura foi modificada do jornal por Wang et al . 26. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4. Lapso de tempo da mudança superfície devido a moblization de poeira sob a radiação UV. O comprimento de onda UV é 172 nm com a irradiância de fóton de 16 mW/cm2 na superfície empoeirada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5. Modelo de carga remendado26. Uma microcavidade mostrada no centro é formada pelas partículas de poeira (círculos cinzas). Os patches de superfície azuis estão expostos a fótons ou elétrons e íons. Eles são acusados de Qb e simultanously emitir foto e/ou secundária de elétrons. Uma fração desses elétrons emitidos são re-absorvida dentro da microcavidade e acumular sobre as manchas vermelhas de superfície das partículas de poeira circundante, cobrando-lhes negativamente a Qr. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
Durante décadas, o problema de transporte de pó eletrostática sobre o regolito de corpos airless permaneceu uma questão em aberto como partículas de poeira do regolito ganham cargas suficientemente grandes para tornar-se mobilizado ou lofted. De26,de estudos de laboratório recentes27 avançaram fundamentalmente a compreensão deste problema.
Aqui, é demonstrados três experimentos recentemente desenvolvidos para mostrar o carregamento de pó e de mobilização no plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons apenas ou radiação UV só. O elemento-chave nesses experimentos é criar elétrons secundários ou photoelectrons a ser emitido a partir de superfícies empoeiradas. Conforme o trabalho anterior26, é provável que esses elétrons emitidos podem resultar em cargas negativas em grande parte reforçadas das partículas de poeira devido a sua reabsorção no interior do microcavities abaixo da superfície empoeirada. O mecanismo detalhado é descrito com o recentemente desenvolvido e verificado com êxito "remendado modelo carga" 26,27.
Na etapa do protocolo 1 e 2, as partículas de poeira precisam ser exposto diretamente para o feixe de elétrons com energias acima de 100 eV para criar elétrons secundários eficientemente36. A viés tensão para o filamento deve ser definida primeiro e, em seguida, aumentando a tensão de aquecimento até a atual de emissão desejada é alcançada, conforme descrito no protocolo 3.3.1. Se as partículas de poeira não são movidas ou lofted, pode indicar que a potencial de superfície de poeira segue a energia do feixe para tornar-se tão negativo que a criação de elétrons secundário é suprimida. Isso pode ser causado por uma operação errada na configuração as tensões de filamento, conforme descrito no protocolo 3.3.2.
No protocolo passo 3, o comprimento de onda da luz UV deve ser 170 nm ou mais curto para que as energias de fótons UV são significativamente maiores do que a função do trabalho da superfície de pó para emitir photoelectrons eficientemente. Mobilização de poeira depende, em grande medida, as forças coesas entre as partículas de poeira, que podem variar com diferentes composições. Simulador de Marte foi mostrado para ser o mais fácil de se mover.
Essas experiências mostram que as partículas de poeira (dezenas de microns de diâmetro) podem saltar até alguns centímetros de altos. Esta altura é equivalente a dezenas de centímetros sobre a superfície da lua, semelhante à altura do brilho do horizonte lunar. Não está claro se o brilho é causado pela lupulagem balísticos ou levitação das partículas de poeira. Essas experiências sugerem que o ex é um mecanismo mais provável. Foi demonstrado que a mobilização eletrostática pó pode levar a formação de superfícies lisas, que podem ser relevantes para as lagoas de poeira formadas no asteroide Eros9 e cometa 67 P10e a superfície muito lisa lua gelada de Saturno Atlas12.
Concluindo, estas experiências mostram que o transporte de pó eletrostático deverá desempenhar um papel significativo em moldar as superfícies dos corpos planetários sem ar e pode ser responsável por uma série de fenômenos de superfície incomuns. Os métodos demonstrados aqui abriram uma porta para estudos mais avançados, incluindo ambos os experimento de laboratório e de modelagem no futuro.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Este trabalho foi financiado pelo Instituto da NASA/SSERVI Plasma modelagem, atmosferas e poeira cósmica (impacto) e pelo programa de funcionamento de sistemas solares da NASA (Grant number: NNX16AO81G).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Vacuum chamber | Any | NA | |
| Vacuum electrode feedthrough | Lesker | EFT0113053 | |
| Tungsten filament (0.1 mm thick) | Goodfellow | W055250 | Thoriated |
| Power supply #1 (0-8V, 3A) | Agilent | E3610A | Or equivalent |
| Power supply #2 (0-140V, 0.5A) | Agilent | E3612A | Or equivalent |
| UV lamp | Osram | XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV | Or equivalent |
| Dust sample | Any | Mars or Lunar simulants or other types | Irregularly-shaped, sieved, insulating |
| Insulating plate | Any | NA | Thickness > 1 cm |
| Rubber sheet | Any | NA | Thickness > 1 mm |
| Metal plate | Any | NA | |
| Ceramic stands | McMaster | 94335A130 | 1/2" diameter |
| Video camera (consumer) | Panasonic | HC-VX870 | Or equivalent |
| Video camera (high-speed) | Phantom | V2512 | > 1000 fps |
| LED lamp | Any | NA | > 500W Tungsten Equivalent |
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