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Experimentelle Methoden der Aufladung Staub und Mobilisierung auf Oberflächen mit der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Plasmen

Published: April 3, 2018 doi: 10.3791/57072
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, 2NASA/SSERVI's Institute for Modeling Plasma, Atmospheres and Cosmic Dust

Summary

Staub zu laden und Mobilisierung wird in drei Experimenten mit der Exposition gegenüber thermischen Plasma mit Strahl Elektronen Strahl Elektronen nur oder ultraviolette (UV) Strahlung nur nachgewiesen. Diese Experimente präsentieren das erweiterte Verständnis der elektrostatischen Staubtransport und seine Rolle bei der Gestaltung der Oberflächen von airless planetaren Körpern.

Abstract

Elektrostatische Staubtransport hat theoretisiert, um eine Reihe von Beobachtungen der ungewöhnliche planetarischen Phänomene zu erklären. Hier wird gezeigt, dass mit drei vor kurzem Experimente entwickelt, in denen, die Staub Partikel thermisches Plasma mit Strahl Elektronen Strahl Elektronen nur oder ultraviolette (UV) Strahlung nur ausgesetzt werden. Die UV-Lichtquelle hat eine schmale Bandbreite in Wellenlänge zentriert auf 172 nm. Der Strahl Elektronen mit der Energie von 120 eV werden mit einem negativ voreingenommen heiße Filament erstellt. Wenn die Vakuumkammer mit Argon-Gas gefüllt ist, wird ein thermisches Plasma neben der Elektronenstrahl erstellt. Isolierende Staubpartikel von ein paar Dutzend Mikrometer im Durchmesser sind in den Experimenten verwendet. Staubpartikel werden aufgezeichnet, um eine Höhe bis zu einigen Zentimetern mit einer Startgeschwindigkeit bis zu 1 m/s extrudiert werden. Diese Experimente zeigen, dass Foto und/oder Sekundär-Elektronen-Emission aus eine staubige Oberfläche den Ladestationen Mechanismus von Staubpartikeln ändert. Laut "gepatcht das neu entwickelte kostenlos Modell" die emittierten Elektronen in Ultrakurzimpulse zwischen benachbarten Staubpartikel unter der Oberfläche, was die Ansammlung von verstärkten negativen Ladungen auf den umliegenden Staub wieder aufgenommen werden können Partikel. Die abstoßenden Kräfte zwischen diesen geladene negativ Teilchen sind groß genug, um zu mobilisieren und heben sie von der Oberfläche. Diese Experimente präsentieren das erweiterte Verständnis von Staub aufladen und Transport auf staubigen Oberflächen und legte die Grundlage für zukünftige Untersuchungen seiner Rolle in der Oberfläche Evolution der airless Himmelskörper.

Introduction

Airless Himmelskörper wie Mond und Asteroiden sind mit Feinstaub genannt Regolith bedeckt. Diese airless Körper, im Gegensatz zu Erde, sind direkt ausgesetzt Sonnenwind Plasma und solar Ultraviolett (UV) Strahlung, verursacht den Regolith Staub aufgeladen werden. Diese Rechnung Staubpartikel können daher werden mobilisiert, extrudiert, transportiert, oder sogar ausgeworfen und von der Oberfläche durch elektrostatische Kräfte verloren. Die erste schlug Beweis für elektrostatische dabei war die so genannte "lunar Horizont Glühen", einen deutlichen Glanz über dem westlichen Horizont beobachtet kurz nach Sonnenuntergang von Surveyor 5, 6 und 7 Raumsonden vor fünf Jahrzehnten (Abbildung 1a)1, 2,3. Es ist vermutet worden, dass dieser Schein durch Sonnenlicht verstreut aus von elektrostatisch erhobene Staubpartikel (5 μm Radius) bis zu einer Höhe < 1 m über der Oberfläche in der Nähe der lunar Terminator1,2,3verursacht wurde. Elektrostatisch freigesetzte Feinstaub wurde auch vorgeschlagen, für die Ray-wie Luftschlangen erreichen einen hohe Höhe berichtet von den Apollo-Astronauten4,5verantwortlich.

Seit diese Apollo-Beobachtungen, eine Reihe von Beobachtungen über andere airless Körper auch mit den Mechanismen der elektrostatischen Staub Mobilisierung oder loften, klingt wie die radiale Speichen in des Saturns6,7, 8, der Staub Teiche auf Asteroiden Eros (Abbildung 1 b)9 und Kometen 67P10, porösen Oberflächen angegeben aus dem Main Belt Asteroid Spektren11, die ungewöhnlich glatte Oberfläche des Saturns eisigen Mond Atlas12, und die Regolith auf der lunar wirbelt13. Darüber hinaus kann der Abbau von Laser-Rückstrahler auf der Mondoberfläche auch durch die Ansammlung von Staub elektrostatisch erhobene14verursacht werden.

Laborstudien haben weitgehend motiviert, durch diese ungewöhnlichen Raum-Beobachtungen um die physikalischen Prozesse der Aufladung Staub zu verstehen und zu transportieren. Staub-Mobilisierung wurde in verschiedenen Plasma Bedingungen beobachtet in der Staubpartikel Schuppen sind aus aus ein Glas Kugel Oberfläche15,16, schwebte im Plasma Hüllen17und aufgezeichnet, um sowohl Durchführung und isolierende weiterziehen Oberflächen18,19,20,21. Wie Staubpartikel zu gewinnen groß genug Gebühren extrudiert oder mobilisiert werden, blieb jedoch schlecht verstanden. Die Messungen der Gebühren auf einzelne Staubpartikel auf einer glatten Oberfläche22 und die durchschnittliche Ladungsdichte auf einer staubigen Oberfläche23 eingetaucht in Plasmen zeigen, dass die Gebühren sind viel zu klein für Staubpartikel extrudiert oder mobilisiert werden.

In der früheren Theorien16,24,25die Aufladung nur galt auf der oberen Deckschicht auftreten, die UV- oder Plasma direkt ausgesetzt ist. Gebühren werden oft als gleichmäßig über die gesamte staubige Oberfläche, d.h.verteilt werden., jedes einzelne Staubkorn erwirbt die gleiche Menge kostenlos, durch die so genannte "shared kostenlos Modell"16beschrieben. Allerdings sind die Gebühren berechnet aus diesem Modell viel kleiner als die Gravitationskraft allein. Eine Ladung Fluktuation Theorie das entfallen der stochastische Prozess der Fluten von Elektronen und Ionen an der Oberfläche16,24 zeigt eine zeitliche Erweiterung in die elektrostatische Kraft, es bleibt jedoch gering im Vergleich zu den Gravitationskraft.

In diesem Papier wird elektrostatische Staub Extrudieren und Mobilisierung gezeigt, mit drei vor kurzem Experimente26, entwickelt, die wichtig für das Verständnis Staubtransport auf dem Regolith airless Himmelskörper. Unter den Bedingungen der thermischen Plasma mit Elektronen Strahl, Strahl Elektronen nur oder UV-Bestrahlung nur werden diese Experimente durchgeführt. Diese Experimente zeigen die Gültigkeit der neu entwickelten "gepatcht kostenlos Modell"26,27, in gebildet, welche Ultrakurzimpulse zwischen benachbarten Staubpartikel unter der Oberfläche wieder aufnehmen kann das emittierte Foto und/oder Sekundärelektronen erzeugen große negative Ladungen an den Oberflächen der benachbarten Staubpartikel. Die abstoßenden Kräfte zwischen diesen negativen Ladungen werden groß genug, um zu mobilisieren oder die Staubpartikel abheben.

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Protocol

(1) Vakuumkammer setup

  1. Legen Sie eine isolierende Gummiplatte (0,2 cm dick, 5 cm Durchmesser) mit einem zentralen Loch 1,9 cm im Durchmesser auf einer Isolierplatte (2 cm dick und 20 cm im Durchmesser) (Abb. 2a, b). Isolierende, unregelmäßig geformten Staubpartikel (zwischen 10 und 50 μm Durchmesser) in das Loch zu laden.
  2. Legen Sie die Isolierplatte auf eine Metallplatte stehend in der Mitte einer Vakuumkammer. Die Metallplatte aus der Kammer mit keramischen Abstandshalter elektrisch zu isolieren.
  3. Schalten Sie die Vakuumpumpen (eine Turbopumpe unterstützt durch eine mechanische Vakuumpumpe) erreichen der Basisdruck von ~ 10-6 Torr. Die demonstrierende Experimente werden in einer zylindrischen Vakuumkammer aus rostfreiem Stahl, 50 cm im Durchmesser und 28 cm hoch (Abbildung 2 c) durchgeführt.
  4. Erfassung der Staub-Bewegung und Erhebungen mit einer Videokamera bei einer regelmäßigen Geschwindigkeit von 30 Frames/s (fps) oder eine High-Speed (> 2000 fps) Kamera. Verwenden Sie eine LED-Leuchte mit der maximalen Beleuchtung entspricht > 500W incandesce Licht, genug Licht auf die Staubpartikel für qualitativ hochwertige video-Aufnahme zu produzieren.
    Hinweis: Mit Hilfe des Gummis ist wegen seiner dunklen Farbe, die die Lichtreflexion an der Kamera minimiert. Hellfarbige Staubpartikel sollte verwendet werden, zum besser fotografieren durch die Farbe Kontrast zu den dunklen Gummioberfläche. Die dicken Isolierplatte dient zur Beseitigung der Wirkung des elektrischen Feldes zwischen der Oberfläche der isolierenden Platte und Metallplatte auf die Aufladung Staub und Mobilisierung. In dieser Demo Mars Simulanzlösemittel (JSC-Mars-1, gesiebt, der mittlere Durchmesser von 38-48 μm, Massendichte von 1,9 g/cm-3 und großen Zusammensetzung des SiO2 28) verwendet wurden, die ähnelt des allgemeinen Regolith Staub airless Körper im Inneren Solar-System. Verschiedene andere Arten von isolierenden Staubpartikel wurden ebenfalls getestet, wie lunar Simulanzlösemittel (JSC-1), lunar Simulanzlösemittel Hochland (LHT) und reine Quarzstaub.

2. Expositionen durch thermisches Plasma mit Elektronen Strahl

  1. Befestigen Sie ein thorierten Wolfram-Glühfaden (0,1 mm dick und ~ 3 cm lang), eine Elektrode Durchführung und installieren Sie es auf der Oberseite der Kammer. Dann die Kammer bis der Basisdruck Pumpe.
  2. Füllen Sie die Vakuumkammer mit Argon-Gas auf den Druck von ~ 0,5 mTorr.
  3. Schalten Sie die Stromversorgung und die Vorspannung-120 V auf das Filament.
  4. Erhöhen die Heizspannung an den Heizstrom ~ 2A bis der Emissionsstrom einen gewünschten Wert (wenige mA) erreicht. Energetische Elektronen mit der Energie von 120 eV werden von der Glühwendel abgegeben.
    Hinweis: Diese primären Elektronen Strahl-ähnliche Auswirkungen neutral Argon-Atomen, wodurch sie ionisiert werden und schaffen ein Plasma mit einer Elektronentemperatur etwa 2 eV. Ein großer Teil der Primärstrahl Elektronen erreicht direkt die staubige Oberfläche ohne Kollisionen mit neutralen Atomen. Staubpartikel sind daher die thermische Plasma und Strahl Elektronen ausgesetzt.
  5. Um die Rolle der energetischen Strahl Elektronen in Staubtransport anzuzeigen, verwenden Sie eine alternative Operation ein thermisches Plasma über Staubpartikel zu schaffen.
    1. Schalten Sie eine alternative Filament in den Boden der Kammer mit der Vorspannung-40 V und Emission Strom bis zu 400 mA (Abbildung 2a). Die primären Elektronen aus der Glühwendel emittiert werden durch die Metallplatte unter dem beleidigenden Teller gestoppt werden, auf denen die Staubpartikel (Abbildung 2a, b ruhen).
    2. Variieren Sie den Emissionsstrom, das elektrische Feld über der Oberfläche zu ändern. Höherer Strom erzeugt höhere Plasmadichte, dünner Mantel und somit größere elektrische Feld.

(3) Belichtung Elektronen nur beamen

  1. Richten Sie das Experiment, wie in der obigen Experiment mit den oberen Faden beschrieben.
  2. Biegen Sie auf der oberen Faden unter der Basisdruck 10-6 Torr (i.e., kein Argongas zugeführt, in der Kammer). Kein Plasma erstellt wird, während nur 120 eV Strahl Elektronen aus dem Filament Bombard die Staubpartikel ausgegeben.
  3. Betrieben Sie das Filament in zwei verschiedenen Modi werden.
    1. Die Vorspannung auf-120 V eingestellt, wird die Heizspannung zu erhöhen, bis der Emissionsstrom wenige mA erreicht.
    2. Erhöhen die Heizspannung zur Erreichung eines gewünschten Heizstrom ~ 2 A, dann erhöhen die Bias-Spannung von 0 V allmählich zu-120 V Elektronen mit Emission Strom von wenigen mA abgeben.

(4) Exposition gegenüber UV-Strahlung nur

  1. Ersetzen Sie den oberen Faden mit einer UV-Lampe (Abb. 2 b) und Abpumpen der Kammer der Basisdruck. Verwenden Sie eine Excimer Osram Xenonlampe, die das UV-Licht von 172 nm Wellenlänge aussendet. Die entsprechende Photonenenergie ist 7,2 eV, größer als die Austrittsarbeit der Staub-Oberfläche (~ 5,5 eV) um Photoelektronen emittieren.
    Hinweis: Kürzerer Wellenlänge UV, die höhere Energie Photonen ausstrahlt voraussichtlich weitere Gebühren auf die Staubpartikel und daher mehr Mobilisierung, basierend auf der gepatchten kostenlos Modell26,27geschaffen.
  2. Schalten Sie die UV-Lampe Staubpartikel auszustrahlen. In der Demo ist die Photon Bestrahlungsstärke 40 mW/cm-2 an der UV-Quelle und ~ 16 mW/cm-2 an der staubigen Oberfläche.

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Representative Results

Eine Reihe von Experimenten wurden mit der oberen oder unteren Fäden durchgeführt. Mit dem oberen Faden-Setup, das hüpfen der Staubpartikel aufgenommen wurde (Abbildung 3a). Dagegen blieb die Staubpartikel in Ruhe, wenn Sie den unteren Faden verwenden. Es wurde gemessen, dass die vertikale Feldstärke an der Oberfläche etwa gleichen (16 V/cm) in beide Experimente unter den Bedingungen, die im Protokoll Schritt 226beschrieben war. Diese Ergebnisse zeigen, dass die elektrostatische Kraft durch die Scheide Feldstärke nicht groß genug, um Staubpartikel zu mobilisieren. Der einzige Unterschied zwischen diesen beiden Experimenten ist das Vorhandensein (mit den oberen Faden) oder fehlen (mit den unteren Faden) Strahl Elektronen bombardiert die Oberfläche.

Potentiale in den Staub und außerhalb Gummiflächen Wang Et al.gemessen. 26 haben gezeigt, dass Sekundärelektronen erzeugt wurden, durch die Bombardierung der energetischen Strahl Elektronen während im Plasma, in dem die Elektronen thermalisierter werden, minimiert. Noch wichtiger ist, haben diese potenziellen Messungen gezeigt, dass die Sekundärelektronenemission weitgehend auf die staubige Oberfläche, im Vergleich zu, die auf der festen Oberfläche26reduziert wurde. Dies ist wahrscheinlich auf die Rauheit der Oberfläche, die die emittierten Elektronen20,29,30,31,32,33wieder aufnehmen kann.

Wie im Protokoll 3.3.1 beschrieben, entstehen Sekundärelektronen, sobald die 120 eV Strahl Elektronen aus der Filament-Reichweite die Oberfläche emittiert, was die Oberfläche Potenzial positiver als-120 V zu steigen. In diesem Fall waren die Staubpartikel mobilisiert und ausgeformte von der Oberfläche (Abb. 3 b). 3.3.2 wurde kein Staub Bewegung verzeichnet. Es wurde gemessen, dass das Oberflächenpotential einfach die Filament-Vorspannung zu-120 V26folgt. Deshalb, weil die Heizspannung sehr klein, dhbeginnt., die entsprechenden Strahlenergie Elektron ist sehr gering und der Sekundär-Elektronen Ertrag ist fast Null, so die Oberfläche Potenzial für die Energie der Elektronen Strahl (in eV) entspricht, um sie zu stoppen pflegen Sie einen Null-Net-Strom auf den Gleichgewichtszustand. Die Schrittweite der Heizspannung erfolgt schrittweise, im Vergleich zu Plasma-Reaktion, so dass die Spannung Schrittweite zu klein ist, um alle Sekundärelektronen zu erstellen. Daher folgt das Oberflächenpotential die Heizspannung, wodurch die Elektronen Strahl vom Erreichen der Oberfläche und deshalb unterdrücken die Sekundärelektronenemission gestoppt werden. Dieses Experiment verdeutlicht, dass die Generation der Sekundärelektronen zur Staub aufladen und Transport erheblich beiträgt.

Der Staub hüpfen wurde unter 172 nm UV-Bestrahlung (Abb. 3 c) aufgenommen. Eine Photoelektronik Scheide entsteht über der Oberfläche, in der das elektrische Feld sehr klein ist ~ 0,5 V/cm34. Die elektrostatische Kraft durch die Scheide Feldstärke ist somit vernachlässigbar. Wie Schwan Et al.gezeigt. 27, tragen erhobene Staubpartikel unter UV-Bestrahlung große negative Ladungen. Dieses Ergebnis widerspricht die erwartete positive Ladung durch Photoemission Weile stimmt das "gepatchte kostenlos Modell" beschrieben.

Langzeitbelichtung der Staubpartikel unter UV-Bestrahlung wurde ebenfalls durchgeführt. Abbildung 4 zeigt die Veränderungen in der Morphologie der Oberfläche als Funktion der Zeit. Die Oberfläche wird glatter und schließlich verflacht, bietet einen effizienten Prozess für den Staub-Teiche gebildet auf Asteroiden Eros (Abbildung 1 b), zum Beispiel.

Die drei Experimente gezeigt oben zeigen, die Erhebungen Staub tritt auf, wenn Foto und/oder Sekundärelektronen werden von einem staubigen Oberfläche emittiert, und diese emittierten Elektronen innerhalb der Oberfläche durch seine Rauheit wieder aufgenommen werden können. Die "gepatcht kostenlos Modell" von Wang Et al.entwickelt. 26 stützte sich auf diese beiden Ergebnisse und wird unten kurz überprüft.

Wie in Abbildung 5dargestellt, im Gegensatz zu einer glatten festen Oberfläche, Ultrakurzimpulse zwischen Staubpartikel unter einer Regolith Oberfläche bilden. Die oberen Flächen (blaue Flecken) werden nach Photoionization durch UV-Bestrahlung und/oder Plasma Elektronen und Ionen berechnet. Es gibt kleine Öffnungen zwischen Staubpartikel auf der Oberseite. Einige der UV-Photonen oder Elektronen und Ionen können durch diese kleine Öffnungen auf die Staubpartikel unter der oberen Oberfläche, Erstellen von Photoelektronen und/oder Sekundärelektronen eindringen. Viele dieser emittierten Elektronen nicht entkommen und sind wieder in die Mikrokavität und Kaution negativen Ladungen an den Oberflächen der umliegenden Teilchen (rote Flecken) absorbiert.

Die Ladung auf der blauen Füllflächen ist Qb Equation Eb, wo Eb die Scheide elektrisches Feld über die staubige Oberfläche ist. Die roten Flecken sind zu Lasten QR Equation ER, wo ER das elektrische Feld im Inneren die Mikrokavität ist. Eb Equation 1 / λDe, wo λDe die Debye-Länge während ER Equation 1/R, wo sind ist der individuelle Staub Partikel Radius, die charakteristische Größe der die Mikrokavität etwa ähnlich. Wegen λDe >> R, ER >> Eb und daher QR >> Qb. Weitgehend verbesserte negative Ladung QR kann ein großes schaffen genügend abstoßende Kraft zwischen zwei negativ geladene Teilchen, die sie von der Oberfläche wird ausgeworfen. Große Ladung Ablagerungen (in der Größenordnung von 0,5 Μc/m2) in eine staubige Oberfläche durch Resorption der Photoelektronen werden auch in eine Computer-Simulation-35beobachtet. 

Figure 1
Abbildung 1: Fotos von zwei Beispiele für ungewöhnliche Oberflächen-Phänomene im Zusammenhang mit elektrostatischen Staubtransport. (a) das lunar Horizont Glühen von Surveyor 7 Raumschiff3 (NASA-Foto) genommen. (b) feine Staubablagerungen in einem Krater, der so genannte "Staub-Teich" auf Asteroid 433 Eros von NEAR-Shoemaker Raumschiff9genommen. Pfeile und Kreis zeigen bereits bestehenden Toporgraphies. Quadrat zeigt einen kleine isolierte Staub-Teich. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Experimentellen Apparat und Setup. (a) schematische Darstellung der Versuchsanordnung für die Staubbelastung auf ein thermisches Plasma mit Elektronen Strahl, Strahl Elektronen nur oder UV Strahlung nur26. (b) Bild zeigt das Setup für das UV-Experiment im Inneren der Kammer und (c) Bild der Vakuumkammer. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Bilder von die Flugbahnen der erhobene Staub26. Exposition gegenüber Plasma (a) mit 120 eV Strahlen Elektronen, (b) 120 eV Strahl Elektronen und (c) UV-Strahlung, beziehungsweise. Ein blaues Feld (a) Highlights die Flugbahnen der erhobene Staubpartikel. Ein blaues Feld (c) unterstreicht die Flugbahn eines ausgeformten Staub-Teilchen mit einer vergrößerten Ansicht. Die ausgeformten Staubpartikel sind Aggregate so groß wie 140 m Durchmesser neben einzelnen Teilchen (38-45 m Durchmesser). Diese Zahl wurde von Wang Et Al. aus dem Papier modifiziert 26. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4. Zeitraffer der Oberfläche Änderung durch den Staub Moblization unter UV-Bestrahlung. Die UV-Wellenlänge beträgt 172 nm bei der Photon-Bestrahlungsstärke von 16 mW/cm2 an der staubigen Oberfläche. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5. Gepatchte kostenlos Modell26. Ein Mikrokavität gezeigt in der Mitte wird von benachbarten Staubpartikel (graue Kreise) gebildet. Die blauen Füllflächen werden Photonen oder Elektronen und Ionen ausgesetzt. Qb geladen sind und gleichzeitig emittieren, Foto und/oder Sekundärelektronen. Ein Bruchteil dieser emittierten Elektronen werden neu aufgenommen in die Mikrokavität und sammeln sich auf der roten Füllflächen der umliegenden Staubpartikel, laden sie sich negativ auf QR. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Jahrzehntelang blieb das Problem der elektrostatischen Staubtransport auf dem Regolith airless stellen eine offene Frage, wie Regolith Staubpartikel zu gewinnen grosse genug Gebühren mobilisiert oder extrudiert werden. Den letzten Labor Studien26,27 haben grundsätzlich das Verständnis des Problems fortgeschritten.

Hier ist es demonstriert drei neu entwickelten Experimenten Staub Lade- und Mobilisierung im thermischen Plasma mit Elektronen Strahl, Strahl Elektronen nur oder UV-Bestrahlung nur zeigen. Das zentrale Element in diesen Experimenten ist die Schaffung von Sekundärelektronen oder Photoelektronen von staubigen Oberflächen emittiert werden. Wie in der früheren Arbeit26gezeigt, ist es wahrscheinlich, dass diese emittierten Elektronen weitgehend verbesserte negativen Ladungen auf die Staubpartikel durch ihre Resorption im Inneren der Ultrakurzimpulse unter der staubigen Oberfläche führen können. Der genaue Mechanismus ist mit der neu entwickelten und erfolgreich verifiziert "gepatcht kostenlos Modell" 26,27beschrieben.

Im Protokoll Schritt 1 und 2 müssen Staubpartikel direkt ausgesetzt werden, um Elektronen mit Energien oberhalb 100 eV Sekundärelektronen effizient erstellen beam36. Legen Sie zuerst die Vorspannung auf den Faden, dann erhöhen die Heizspannung bis die gewünschte Emissionsstrom erreicht ist, wie im Protokoll 3.3.1 beschrieben. Wenn Staubpartikel nicht verschoben oder extrudiert werden, kann dies bedeuten, dass der Staub Oberflächenpotential folgt die Strahlenergie so negativ zu werden, dass die Schaffung von Sekundärelektronen unterdrückt wird. Dies kann durch eine falsche Bedienung auf Einstellung der Glühfaden Spannungen verursacht werden, wie im Protokoll 3.3.2 beschrieben.

Im Protokoll Schritt 3, die Wellenlänge der UV-Lampe sollte 170 nm oder kürzer, so dass die Energien des UV-Photonen deutlich größer als die Austrittsarbeit der Staub Oberfläche um Photoelektronen effizient zu emittieren. Staub-Mobilisierung hängt weitgehend von der Kohäsionskräfte zwischen Staubpartikel, die mit einer unterschiedlichen Zusammensetzung variieren. Mars Simulanzlösemittel zeigte sich am einfachsten zu bewegen sein.

Diese Experimente zeigen, dass Staubpartikel (zehn Mikrometer im Durchmesser) bis zu ein paar Zentimeter hoch springen können. Diese Höhe entspricht zehn Zentimetern auf der Mondoberfläche, ähnlich wie die Höhe des lunar Horizont glühen. Es ist nicht klar, ob das Leuchten durch die ballistischen hüpfen oder Levitation von Staubpartikeln verursacht wird. Diese Experimente deuten darauf hin, dass der ehemalige wahrscheinlicher Mechanismus ist. Es zeigte sich, dass elektrostatische Staub Mobilisierung zur Bildung von glatten Oberflächen, die relevant für den Staub-Teichen auf Asteroiden Eros9 und Kometen 67P10gebildet sein kann, und die sehr glatte Oberfläche des eisigen Saturnmond Atlas12führen kann.

Zusammenfassend zeigen diese Experimente, dass elektrostatische Staubtransport eine wichtige Rolle voraussichtlich wird bei der Gestaltung der Oberflächen von airless planetaren Körpern und möglicherweise verantwortlich für eine Reihe von ungewöhnlichen Oberflächen-Phänomene. Die Methoden, die hier demonstriert öffnete eine Tür für Fortgeschrittene Studien einschließlich beide Laborexperiment und Modellierung in der Zukunft.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde unterstützt durch die NASA/SSERVI Institut für Plasma-Modellierung, Atmosphären und kosmischem Staub (IMPACT) und die NASA Solaranlagen Funktionsweise Programm (gewähren Nummer: 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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Umweltwissenschaften Ausgabe 134 Aufladung Staub elektrostatische Staubtransport staubige Plasma Photoelektronen Sekundärelektronen Regolith airless Körper Mond Asteroiden Oberflächenprozesse
Experimentelle Methoden der Aufladung Staub und Mobilisierung auf Oberflächen mit der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Plasmen
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Wang, X., Schwan, J., Hood, N., Hsu, … More

Wang, X., Schwan, J., Hood, N., Hsu, H. W., Grün, E., Horányi, M. Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas. J. Vis. Exp. (134), e57072, doi:10.3791/57072 (2018).

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