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

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。