实验室落塔的粉尘聚集在碰撞早期太阳系的实验模拟

该程序的总体目标是通过实验模拟早期太阳系中尘埃聚集体之间的碰撞，并了解行星形成的第一步。这是通过首先准备两个多孔尘埃聚集体来实现的，它们代表年轻的太阳系中的尘埃颗粒。第二步是将两个粉尘聚集体插入其中一个实验室落锤塔中，该落锤经过调节，在微重力条件下会在粉尘聚集体之间产生碰撞。

接下来，进行实验，高速摄像机记录两个尘埃聚集体之间的碰撞。最后一步是分析碰撞的能量损失、传质和尘埃聚集体碎片的高速记录。最终，这些结果被用于开发年轻太阳系中尘埃聚集体碰撞的物理模型，这是行星形成第一步建模所必需的。

这种方法可以帮助回答行星形成领域的关键问题，例如行星构建块碰撞的结果。当我们在寻找在脆弱的尘埃聚集体之间进行大量极低速碰撞的方法时，我们第一次想到了这种方法。这种技术与现有方法（如商业微重力设施）的主要优点是，可以在实验室中更频繁地进行实验，并且具有成本效益。

这种方法的目视演示至关重要，因为样品制备步骤很难学习，因为制备的样品非常脆弱。首先，使用以下公式计算所需形状所需的材料量。通过 0.5 毫米的网格 C 筛出足够量的材料，然后将计算出的质量填充到模具中。

然后用手推动活塞压缩模具内的材料，直到样品达到 5 厘米。最后，将模具倒置。打开底板，用活塞轻轻地将样品推出。

对于球形上部粒子采样，请使用弦上粒子释放机制。为了设置这种类型的释放，请将要释放的粒子附加到字符串上。这是在样品压缩过程中使用带有琴弦通道的活塞完成的。

将灯串夹在螺线管磁铁和固体金属配合件之间，用于球形下颗粒样品，将灯串固定到位。使用活板门释放装置。首先将颗粒放入半球形模具中。

在适当的时候，对上部释放机构的螺线管磁铁施加电流。当检查更复杂的布置时，例如球体簇将两个活板门释放机构彼此重叠安装，使用旋转螺线管施加电流以向下旋转活板门。加载两个陷阱门机构后，施加电流以在正确的时间释放圆柱形样品的样品。

将剪刀式双释放机构安装到位。然后轻轻地将圆柱形样品放在释放板上。和以前一样，向螺线管磁铁施加电流以释放样品。

如果样品将被加速而不是简单地自由落体，请使用粒子加速机制，例如电磁驱动的线性平台。当结合颗粒加速测试圆柱形样品时，请使用双翼活板门释放机构。将圆柱形灰尘样品放在关闭的活板门上。

然后通过向螺线管磁铁施加电流来解锁活板门。请注意涡流中断如何防止门弹回样品以实现低速碰撞。速度为每秒 0.09 米。

将 1 厘米的粒子中的一个放入绳子装置上的粒子中，将另一个 1 厘米的粒子放入 7 毫米外的活板门释放装置中。然后关闭真空玻璃管。小心地打开真空泵的阀门，开始缓慢排空管中的空气。

接下来，将释放机制的时间延迟设置为 9 毫秒。这意味着首先释放上部的尘埃聚集体，9 毫秒后释放下部颗粒，接下来将摄像机连接到其释放单元并打开照明。然后开始连续录制。

当达到优于 1 毫巴的所需真空时，按下释放按钮以启动计时器序列，实验完成后，将高速摄像机记录的图像序列下载到计算机。首先将一个样品加载到双翼活板门释放机构上，另一个样品加载到线性平台加速器的样品架上，准备两个直径和高度为 5 厘米的圆柱形样品，以进行高速碰撞。样品就位后，像以前一样通过密封玻璃管并打开真空阀以排出管中的空气来准备腔室。

然后根据所需条件设置释放机构和直线加速器的时序。接下来，打开适当的照明并开始使用高速摄像机进行录制。一旦达到优于 0.01 毫巴的所需真空，按下释放按钮即可在完成后启动碰撞。

像以前一样下载相机为不同大小的聚合记录的图像序列。将大样品加载到释放装置上，然后将较小的样品放在加速器的样品架上。这些单分散球形和多分散不规则二氧化硅颗粒的电子显微镜图像说明了实验室落锤实验中使用的样品的物理特性。

粉尘聚集体可以制成各种样品尺寸和形状，包括直径为 1 厘米、2 厘米和 5 厘米的尘筒以及直径为 1 厘米和 2 厘米的尘球。此外，使用 X 射线断层扫描重建圆柱形尘埃骨料样品的内部结构，可以使用 2 到 3 毫米大小的发光球团。可以清楚地看到，这种高孔隙率样品是使用毫米大小的除尘骨料组装而成的。

灰度表示体积填充因子、样品质量密度的比值以及单体粉尘颗粒弹跳碰撞速度的材料密度，通过跟踪颗粒位置随时间的变化来得出碰撞前后的速度。这些值的比率称为恢复系数，描述了碰撞中的能量损失。分析的恢复系数与碰撞速度作图。

球形尘埃、聚集体和圆柱形粉尘聚集体之间的碰撞数据显示，一旦掌握，恢复系数会随着冲击速度的增加而降低。如果执行得当，这种技术可以在一小时内完成。处理微米大小的颗粒可能非常危险，因此在手术过程中应始终采取预防措施，例如防护面罩、手套和抽油烟机。