方法文章

暴露于紫外辐射或等离子体条件下表面尘埃带电与迁移的实验方法

DOI：

10.3791/57072

⸱

2018年4月3日

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1Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, 2NASA/SSERVI's Institute for Modeling Plasma, Atmospheres and Cosmic Dust

本文内容

摘要

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通过三个实验展示了在热等离子体加束流电子、仅有束流电子或仅有紫外（UV）辐射条件下的尘埃带电与迁移现象。这些实验揭示了静电尘埃输运的最新认识及其在塑造无大气行星体表面过程中的作用。

摘要

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

静电尘埃输运机制已被假说用于解释多种异常行星现象的观测结果。本文通过三个新近开发的实验对此进行了演示，实验中尘埃颗粒分别暴露于热等离子体与电子束、仅有电子束、或仅有紫外（UV）辐射的条件下。紫外光源的波长带宽较窄，中心波长为172 nm。能量为120 eV的电子束由带负偏压的热灯丝产生。当真空腔体中充入氩气时，除电子束外还会形成热等离子体。实验中使用直径为数十微米的绝缘尘埃颗粒。观测记录显示，尘埃颗粒可被抬升至数厘米高度，发射速度最高达1 m/s。这些实验表明，尘埃表面的光致电子发射和/或次级电子发射会改变尘埃颗粒的充电机制。根据新近提出的"局域电荷模型"，所发射的电子可在表面下方相邻尘埃颗粒之间的微腔内部被重新吸收，导致周围尘埃颗粒上负电荷的增强与积聚。这些带负电颗粒之间的排斥力可能足够大，从而使其脱离表面并发生移动。这些实验深化了对尘埃表面充电及输运过程的理解，为未来研究其在无大气行星体表面演化中的作用奠定了基础。

引言

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无大气层的天体，例如月球和小行星，表面覆盖着被称为风化层的细小尘埃颗粒。这些无大气层的天体与地球不同，直接暴露于太阳风等离子体和太阳紫外（UV）辐射之下，导致风化层尘埃带电。因此，这些带电的尘埃颗粒可能由于静电力作用而发生移动、扬起、输运，甚至被喷射并脱离表面而丢失。最早提出这一静电过程的证据是所谓的"月球地平线辉光"，即五十年前勘测者5号、6号和7号航天器在日落后不久观测到的西方地平线上方一种明显的辉光现象（图1a）1,2,3。人们推测，这种辉光是由阳光被静电扬起的尘埃颗粒（半径约5 μm）散射所致，这些颗粒被抬升至月球晨昏线附近地表上方高度<1 m处1,2,3。此外，有研究认为，阿波罗宇航员报告的延伸至高空的射线状条纹现象，也可能由静电释放的细尘所引起4,5。

自从阿波罗计划的这些观测以来，人们也发现其他无大气天体上的多种现象与静电扬尘或尘埃扬升机制有关，例如土星环中的径向辐条6,7,8、小行星爱神星上的尘埃池（图1b）9以及彗星67P上的类似结构10、主带小行星光谱所指示的多孔表面11、土星冰质卫星阿特拉斯异常光滑的表面12，以及月球漩涡区的风化层特征13。此外，月球表面激光后向反射器性能的退化也可能由静电扬升的尘埃不断积聚所致14。

为了理解尘埃带电和输运的物理过程，实验室研究在很大程度上受到这些异常空间观测的推动。在不同等离子体条件下均观察到了尘埃的迁移现象，包括尘埃颗粒从玻璃球表面脱落15,16、在等离子体鞘层中悬浮17，以及在导电和绝缘表面上的运动被记录下来18,19,20,21。然而，尘埃颗粒如何获得足够大的电荷以实现抬升或迁移仍不清楚。对浸没于等离子体中的光滑表面上单个尘埃颗粒所带电荷的测量22，以及对含尘表面平均电荷密度的测量23表明，这些电荷量远不足以使尘埃颗粒被抬升或发生迁移。

在早期理论16,24,25中，电荷积累被认为仅发生在直接暴露于紫外光或等离子体的表层表面。电荷通常被视为在整个尘埃表面均匀分布，即，每个单独的尘埃颗粒获得相同数量的电荷，这一模型被称为"共享电荷模型"16。然而，根据该模型计算出的电荷量远小于单纯的引力。一种考虑电子和离子通量到达表面时随机过程的电荷涨落理论16,24表明，静电力在时间上存在瞬时增强，但与引力相比仍然较小。

本文通过三个近期开发的实验，展示了静电扬尘与颗粒迁移现象。26，这对于理解无大气行星体表层尘埃的迁移过程具有重要意义。这些实验在热等离子体条件下、仅有束流电子条件下或仅有紫外辐射条件下进行。实验结果验证了近期发展的理论模型的有效性 "修补电荷模型"26,27，其中表面下方相邻尘埃颗粒之间形成的微腔可重新吸收发射的光子和/或次级电子，导致相邻尘埃颗粒表面产生大量负电荷。这些负电荷之间的排斥力可能变得足够大，从而促使尘埃颗粒发生移动或脱离表面。

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方案

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1. 真空室设置

  1. 将一块中心有孔的绝缘橡胶片（厚度0.2 cm，直径5 cm，中心孔直径1.9 cm）放置在绝缘板（厚度2 cm，直径20 cm）上（图2a，b）。将绝缘的不规则形状尘埃颗粒（直径在10至50 μm之间）装入孔中。
  2. 将该绝缘板放置于真空室中央的一个金属板上。使用陶瓷垫片将金属板与真空室进行电隔离。
  3. 开启真空泵（由机械粗抽泵支持的涡轮分子泵），使真空室达到约10-6 Torr的本底压力。演示实验在一个圆柱形不锈钢真空室中进行，其直径为50 cm，高度为28 cm（图2c）。
  4. 使用普通速度为30帧/秒（fps）或高速（> 2000 fps）的摄像机记录尘埃的运动和扬起过程。使用最大照度相当于> 500 W白炽灯的LED光源，为尘埃颗粒提供足够的照明，以获得高质量的视频记录。
    注意：使用橡胶是因为其深色可最大限度减少光线反射至摄像机。由于与深色橡胶表面形成颜色对比，应选用浅色尘埃颗粒以获得更佳的拍摄效果。使用较厚的绝缘板是为了消除绝缘板表面与金属板之间电场对尘埃带电和迁移的影响。在本演示中，使用了火星模拟尘埃（JSC-Mars-1，筛分后平均直径为38–48 μm，质量密度为1.9 g/cm-3，主要成分为SiO2 28），其性质类似于内太阳系无大气天体的典型表土尘埃。此外还测试了其他多种类型的绝缘尘埃颗粒，如月球模拟物（JSC-1）、月球高地模拟物（LHT）和纯二氧化硅尘埃。

2. 带束流电子的热等离子体暴露

  1. 将一根含钍的钨丝（直径0.1 mm，长约3 cm）连接到电极引线端，并安装在腔体顶部。然后将腔体抽真空至本底压力。
  2. 向真空腔体内充入氩气，使气压达到约0.5 mTorr。
  3. 开启电源，将灯丝偏置电压设为-120 V。
  4. 逐渐增加加热电压，使加热电流达到约2 A，直至发射电流达到所需值（几mA）。此时，灯丝将发射能量为120 eV的高能电子。
    注意：这些类似束流的初级电子会撞击中性氩原子，使其电离，从而产生电子温度约为2 eV的等离子体。大部分初级束流电子在未与中性原子发生碰撞的情况下直接到达含尘表面。因此，尘埃颗粒同时暴露于热等离子体和束流电子中。
  5. 为了展示高能束流电子在尘埃输运中的作用，可采用另一种方式在尘埃颗粒上方仅产生热等离子体。
    1. 开启位于腔体底部的另一根灯丝，设置偏置电压为-40 V，发射电流最高达400 mA（图2a）。从该灯丝发射的初级电子将被位于绝缘板下方的金属板阻挡，而尘埃颗粒则位于该绝缘板上（图2a，b）。
    2. 调节发射电流以改变表面附近的电场。较高的电流会产生更高的等离子体密度、更薄的鞘层，从而形成更强的电场。

3. 仅暴露于电子束

  1. 使用顶部灯丝，按照上述实验所述设置实验装置。
  2. 在基底压力为 10-6 Torr 的条件下开启顶部灯丝（i.e.，不向腔室内通入氩气）。此时不产生等离子体，仅有灯丝发射出的 120 eV 束流电子轰击尘埃颗粒。
  3. 以两种不同模式操作灯丝。
    1. 将偏压设为 -120 V，然后逐渐增加加热电压，直至发射电流达到几毫安（mA）。
    2. 增加加热电压至所需的加热电流约 2 A，然后从 0 V 逐渐增加偏压至 -120 V，从而发射出几毫安（mA）发射电流的电子。

4. 仅暴露于紫外线辐射

  1. 将顶部灯丝更换为紫外灯（图2b），并将腔室抽真空至本底压力。使用欧司朗（Osram）生产的氙准分子紫外灯，该灯发射波长为172 nm的紫外光。相应的光子能量为7.2 eV，高于尘埃表面的功函数（约5.5 eV），以实现光电子的发射。
    注意：根据斑块电荷模型26,27，波长更短、光子能量更高的紫外光预计会在尘埃颗粒上产生更多电荷，从而导致更强的颗粒迁移。
  2. 打开紫外灯，照射尘埃颗粒。在本实验演示中，紫外光源处的光子辐照度为40 mW/cm-2，尘埃表面处约为16 mW/cm-2。

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结果

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采用顶部或底部灯丝进行了一系列实验。在使用顶部灯丝的装置中，记录到了尘埃颗粒的跳跃现象（图3a）。相比之下，当使用底部灯丝时，尘埃颗粒保持静止状态。测量结果显示，在步骤2所述条件下，两种实验中样品表面的垂直电场强度近似相同（约16 V/cm）26。这些结果表明，鞘层电场产生的静电力不足以使尘埃颗粒发生移动。这两个实验之间的唯一区别在于是否存在束流电子对表面的轰击：使用顶部灯丝时存在电子束轰击，而使用底部灯丝时则不存在。

Wang et al.26 测量的尘埃表面与外部橡胶表面之间的电势表明，高能电子束轰击会产⽣次级电子，而在等离子体中，由于电子被热化，次级电子产额显著降低。更重要的是，这些电势测量结果表明，与洁净固体表面相比，尘埃表面的次级电子发射大幅减少

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讨论

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几十年来，无大气天体表层土壤中静电尘埃输运的问题一直悬而未决，即表层土壤尘埃颗粒如何获得足够大的电荷从而发生移动或扬起。近年来的实验室研究26,27 极大地推动了对该问题的理解。

本文展示了三种新近开发的实验方法，用于研究在热等离子体中仅存在束流电子、或仅存在紫外辐射条件下尘埃的充电与迁移现象。这些实验的关键在于促使尘埃表面发射出次级电子或光电子。如先前研究26所示，由于这些发射出的电子在尘埃表面下方微腔内被重新吸收，可能导致尘埃颗粒携带显著增强的负电荷。这一详细机制可通过新近提出并已成功验证的"局域电荷模型"加以描述26,27。

在步骤1和步骤2中，尘埃颗粒需要直接暴露于能量高于100 eV的电子束下，以高效地产生二次电子

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披露

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作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

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本研究由美国国家航空航天局（NASA）/太阳系探索研究虚拟研究所（SSERVI）的等离子体、大气与宇宙尘埃建模研究所（IMPACT）以及NASA太阳系运作计划（项目编号：NNX16AO81G）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
真空室任意NA
真空电极馈通件LeskerEFT0113053
钨丝灯丝（0.1 mm 厚）GoodfellowW055250含钍
电源 #1（0–8 V，3 A）AgilentE3610A或同等产品
电源 #2（0–140 V，0.5 A）AgilentE3612A或同等产品
紫外灯OsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV或同等产品
粉尘样品任意火星或月球模拟物或其他类型不规则形状、过筛、绝缘性
绝缘板任意NA厚度 > 1 cm
橡胶垫片任意NA厚度 > 1 mm
金属板任意NA
陶瓷支架McMaster94335A1301/2" 直径
摄像机（消费级）PanasonicHC-VX870或同等产品
高速摄像机PhantomV2512> 1000 fps
LED 灯任意NA> 500 W 钨丝灯等效功率

参考文献

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  1. Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , Springer. New York. 545-556 (1973).
  2. Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
  3. Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).
  4. McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991(1974).
  5. Zook, H. A., McCoy, J. E. Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere. Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).
  6. Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
  7. Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
  8. Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn's spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
  9. Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. The nature of ponded deposits on Eros. Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).
  10. Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17(2015).
  11. Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
  12. Hirata, N., Miyamoto, H. Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas. Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).
  13. Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls. Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).
  14. Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
  15. Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. Observation of dust shedding from material bodies in a plasma. J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).
  16. Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504(2006).
  17. Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath. J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408(2002).
  18. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow. J. Geophys. Res. 114, A05103(2009).
  19. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam. J. Geophys. Res. 115, A11102(2010).
  20. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
  21. Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting. Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).
  22. Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions. Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104(2007).
  23. Ding, N., Wang, J., Polansky, J. Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface. IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).
  24. Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501(2011).
  25. Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703(2016).
  26. Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. Dust charging and transport on airless planetary bodies. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).
  27. Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces. Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).
  28. Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).
  29. Martin, N. L. S., von Engel, A. The reflection of slow electrons from a soot-covered surface. J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).
  30. Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith. Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).
  31. Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment. New J. Phys. 12, 033036(2010).
  32. Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust. Astrophys. J. 761 (2), 108(2012).
  33. Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77(2013).
  34. Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. Experimental study of a photoelectron sheath. Phys. Plasmas. 19 (4), 043502(2012).
  35. Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
  36. Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).

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