Methodenartikel

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

DOI:

10.3791/57072

⸱

3. April 2018

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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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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.

Zusammenfassung

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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.

Einleitung

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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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Protokoll

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(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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Ergebnisse

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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 ...

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Diskussion

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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 Elektro...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Danksagungen

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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).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
VakuumkammerBeliebigNA
Vakuum-ElektrodendurchführungLeskerEFT0113053
Wolfram-Filament (0,1 mm dick)GoodfellowW055250Thoriated
Netzteil #1 (0-8V, 3A)AgilentE3610AOder gleichwertig
Netzteil #2 (0-140V, 0,5A)AgilentE3612AOder gleichwertig
UV-LampeOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVoder gleichwertig
StaubprobeAlleMars- oder Mondsimulanzien oder andere ArtenUnregelmäßig geformt, gesiebt, isolierend
IsolierplatteAlleNADicke > 1 cm
GummiplatteAlleNADicke > 1 mm
MetallplatteAlleNA
KeramikständerMcMaster94335A130mit 1/2" Durchmesser
(Consumer)PanasonicHC-VX870oder gleichwertig
Videokamera (High-Speed)PhantomV2512> LED-Lampe mit 1000 fps
beliebigNA500 W Wolfram-Äquivalent
Videokamera >

Referenzen

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ElektronenstrahlVakuumkammerStaubmobilisierungSekund remissionPlasmaexpositionisolierende PartikelPatched Charge Modellelektrostatischer Transport

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