Name: 紫外辐射或等离子体照射表面的粉尘充电和动员实验方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-03T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 54 s
Description: 了解紫外辐射或等离子体照射表面时粉尘充电与动员的实验方法。本研究通过真空室实验揭示静电粉尘在无大气行星表面演化中的作用机制，为行星科学和尘埃等离子体研究提供基础。

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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。

1. 真空室设置
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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）。</li>
	<li>使用普通速度为30帧/秒（fps）或高速（&#62; 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&#62; 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。</li>
</ol>
2. 带束流电子的热等离子体暴露
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>向真空腔体内充入氩气，使气压达到约0.5 mTorr。</li>
	<li>开启电源，将灯丝偏置电压设为-120 V。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 仅暴露于电子束
<ol>
	<li>使用顶部灯丝，按照上述实验所述设置实验装置。</li>
	<li>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。</li>
	<li>以两种不同模式操作灯丝。
	<ol>
		<li>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）。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 仅暴露于紫外线辐射
<ol>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

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&#34;局域电荷模型&#34;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<sup...

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&#34;月球地平线辉光&#34;，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&#60;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&#34;共享电荷模型&#34;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 &#34;修补电荷模型&#34;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。

<table><tbody><tr><td>真空室</td><td>任意</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>真空电极馈通件</td><td>Lesker</td><td>EFT0113053</td><td></td></tr><tr><td>钨丝灯丝（0.1 mm 厚）</td><td>Goodfellow</td><td>W055250</td><td>含钍</td></tr><tr><td>电源 #1（0–8 V，3 A）</td><td>Agilent</td><td>E3610A</td><td>或同等产品</td></tr><tr><td>电源 #2（0–140 V，0.5 A）</td><td>Agilent</td><td>E3612A</td><td>或同等产品</td></tr><tr><td>紫外灯</td><td>Osram</td><td>XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV</td><td>或同等产品</td></tr><tr><td>粉尘样品</td><td>任意</td><td>火星或月球模拟物或其他类型</td><td>不规则形状、过筛、绝缘性</td></tr><tr><td>绝缘板</td><td>任意</td><td>NA</td><td>厚度 &gt; 1 cm</td></tr><tr><td>橡胶垫片</td><td>任意</td><td>NA</td><td>厚度 &gt; 1 mm</td></tr><tr><td>金属板</td><td>任意</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>陶瓷支架</td><td>McMaster</td><td>94335A130</td><td>1/2&quot; 直径</td></tr><tr><td>摄像机（消费级）</td><td>Panasonic</td><td>HC-VX870</td><td>或同等产品</td></tr><tr><td>高速摄像机</td><td>Phantom</td><td>V2512</td><td>&gt; 1000 fps</td></tr><tr><td>LED 灯</td><td>任意</td><td>NA</td><td>&gt; 500 W 钨丝灯等效功率</td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

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&#34;局域电荷模型&#34;，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。

采用顶部或底部灯丝进行了一组实验。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，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处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束流电子轰击，而使用底部灯丝时则不存在。
王氏测量的尘埃与橡胶外表面之间的电势 等.26 已表明，由于高能电子束的轰击会产生次级电子，而在电子已热化的等离子体中，这种效应会显著减弱。更重要的是，这些电位测量结果显示，与固体表面相比，尘埃表面的次级电子发射大幅降低。26</...

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。

静电尘埃输运现象已被假说用于解释多种不寻常的行星现象观测结果。本文通过……加以演示。

本实验的总体目标是揭示在太空或实验室条件下，使风化层尘埃颗粒获得足够电荷从而发生悬浮或迁移的机制。该方法有助于解答一个关键科学问题，即静电在塑造太阳系无大气天体表面过程中所起的尘埃输运作用。该方法为未来的研究奠定了基础，包括实验研究和计算机模拟，最终目标是解释现有的空间观测现象，并为未来的探测任务提供指导。该方法展示了如何以受控方式移动尘埃颗粒，可帮助其他研究人员开发自己的实验。实验步骤将由本实验室的本科生 Noah Hood 演示。实验需要使用真空腔室。这个装置直径为50厘米，高28厘米，连接至氩气罐和泵系统。内部有一块电隔离的金属板。此时，准备加载粉尘颗粒。使用直径为 20 厘米、厚度为 2 厘米的绝缘板，并在其上方放置带有中心孔的绝缘橡胶片。接着，将绝缘的不规则形状粉尘颗粒装入孔中。将绝缘板移至真空腔室中。然后将其放置在内部的金属板上。接下来，架设一台摄像机以记录灰尘的运动。照明可使用相当于至少500瓦白炽光源的LED灯。此图像为任何电子束与尘埃颗粒相互作用之前的颗粒状态。该电子束实验需要两个灯丝。与本示例相同，将钍钨灯丝安装在两个电极馈通端口上。在真空腔室顶部安装一个贯通件。将该灯丝连接至灯丝电源。然后，在腔室底部安装带有灯丝的第二个贯通件。继续抽气，将腔室泵至所需的基础压力。接着，使用氩气供气将腔室压力充至约0.5毫托。准备就绪后，打开灯丝电源，并将偏压调至负120伏。打开相机开始录制。在电源处逐步增加加热电压，当发射电流达到几毫安时停止。记录尘埃颗粒的响应。释放两个开始运动的高能电子和热电子。关闭灯丝电源，并将其连接到底部灯丝。开启电源后，将偏压调至负40伏特。增加加热电压，使发射电流超过200毫安。记录尘埃颗粒的运动情况。仅暴露于热电子时，它们不会移动。从底部密封的真空腔开始，将尘埃颗粒装载到由金属板支撑的绝缘板上。仅使用一个馈通装置。将一根含钍钨灯丝安装到该装置上。将馈通装置安装在腔体顶部，并连接灯丝电源。在第一个步骤中，将偏置电压设置为负120伏。然后，逐步增加加热电压，当发射电流达到几毫安时停止。记录腔室内尘埃颗粒的反应。在此情况下，颗粒发生移动。第二个序列使用与第一个相同的装置。在第二个序列中，将偏置电压设为零。增加加热电压，使加热电流达到约两安培。然后，将偏置电压从零逐渐调节至负120伏。记录腔室内尘埃颗粒的响应。在此情况下，尘埃颗粒不发生移动。本实验中，需将电极馈通件从腔室中移除。在馈通装置上安装一个172纳米的紫外灯。重新安装馈通装置并连接灯的电源。当腔体处于本底压力时，打开灯以照射尘埃颗粒。记录颗粒在这些条件下的响应。在本实验中，直径为10至50微米的尘埃颗粒暴露于等离子体和120电子伏特的电子束中。当不存在电子束时，没有颗粒被扬起。这与次级电子对尘埃充电的贡献是一致的。悬浮颗粒是由电子束引发的，该电子束通过先施加偏置电压再提高加热电压而产生，此过程会生成次级电子。相比之下，当先设置加热电压再增加偏置电压时，未观察到尘埃运动，而此过程不产生次级电子。暴露于172纳米紫外灯下的尘埃颗粒显示出如本照片所示的尘埃跳跃现象。当尘埃长时间暴露于紫外辐射时，其表面会发生变化。这一过程通过一系列照片记录下来，显示尘埃表面逐渐变得平滑，最终趋于平整。观看本视频后，您应能充分理解如何以受控方式移动尘埃颗粒。关键在于从尘埃表面产生完整的电子和/或二次电子。基于此方法，可进一步开展新的实验研究，并开发计算机模拟，以更准确地分类尘埃带电与输运的性质。这项技术为从事空间科学、行星科学以及 dusty plasmas 研究的科研人员探索无大气行星体表面加工过程中静电尘埃输运的作用，以及这些天体周围近地表尘埃环境提供了新的途径。操作含钍钨丝时务必佩戴手套，因为钍具有低放射性。此外，应遮盖真空腔体的观察窗，以避免可能的紫外线暴露。

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