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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, die Mechanismen zu zeigen, die dazu führen, dass Regolith-Staubpartikel im Weltraum oder unter Laborbedingungen genügend Ladung erhalten, um in die Höhe zu steigen oder mobilisiert zu werden. Diese Methode kann helfen, eine Schlüsselfrage über die Rolle des elektrischen Staubtransports bei der Gestaltung der Oberfläche von luftleeren Körpern im Sonnensystem zu beantworten. Diese Methode ebnet den Weg für zukünftige Studien, die sowohl Experiment- als auch Computermodelle umfassen, um letztendlich die bestehenden Weltraumbeobachtungen zu erklären und eine Anleitung für zukünftige Missionsuntersuchungen zu geben.

Diese Methode zeigt, wie Staubpartikel kontrolliert bewegt werden können, was anderen Forschern helfen kann, ihre eigenen Experimente zu entwickeln. Das Verfahren wird von Noah Hood, einem Studenten aus unserem Labor, vorgeführt. Für die Experimente wird eine Vakuumkammer benötigt.

Dieser hat einen Durchmesser von 50 Zentimetern und eine Höhe von 28 Zentimetern und ist mit einem Argontank und einem Pumpensystem verbunden. Im Inneren befindet sich eine Metallplatte, die galvanisch isoliert ist. Bereiten Sie sich an dieser Stelle auf das Laden von Staubpartikeln vor.

Verwenden Sie eine Isolierplatte mit einem Durchmesser von 20 Zentimetern und einer Dicke von zwei Zentimetern und legen Sie eine isolierende Gummiplatte mit einem zentralen Loch darauf. Laden Sie anschließend isolierende unregelmäßig geformte Staubpartikel in das Loch. Bewegen Sie die Isolierplatte in die Vakuumkammer.

Lege es dort auf die Metallplatte im Inneren. Richten Sie als Nächstes eine Videokamera ein, um die Staubbewegung aufzuzeichnen. Verwenden Sie für die Beleuchtung eine LED-Lampe, die mindestens einer 500-Watt-Glühlampe entspricht.

Dieses Bild zeigt die Staubpartikel, bevor Strahlen mit ihnen interagiert haben. Für dieses Elektronenstrahlexperiment werden zwei Filamente benötigt. Installieren Sie wie in diesem Beispiel ein thoriiertes Wolframfilament auf jeder der beiden Elektrodendurchführungen.

Installieren Sie eine der Durchführungen oben auf der Vakuumkammer. Verbinden Sie dieses Filament mit Filament-Netzteilen. Installieren Sie dann die zweite Durchführung mit einem Filament am Boden der Kammer.

Fahren Sie fort, indem Sie die Kammer auf den gewünschten Basisdruck pumpen. Als nächstes verwenden Sie die Argongaszufuhr, um die Kammer auf etwa einen halben Millitorr zu füllen. Wenn Sie bereit sind, schalten Sie die Filament-Netzteile ein und stellen Sie die Bias-Spannung auf minus 120 Volt ein.

Schalten Sie die Kamera ein, um aufzunehmen. Erhöhen Sie an der Stromversorgung die Heizspannung. Stoppen Sie, wenn der Emissionsstrom einige Milliampere beträgt.

Zeichnen Sie die Reaktion der Staubpartikel auf. Legen Sie zwei energiereiche und thermische Elektronen frei, die sich zu bewegen beginnen. Schalten Sie die Filament-Netzteile aus und schließen Sie sie an das untere Filament an.

Stellen Sie bei eingeschalteten Netzteilen die Bias-Spannung auf minus 40 Volt ein. Erhöhen Sie die Heizspannung, um einen Emissionsstrom von über 200 Milliampere zu erreichen. Zeichnen Sie die Bewegung der Staubpartikel auf.

Da sie nur thermischen Elektronen ausgesetzt sind, bewegen sie sich nicht. Beginnen Sie mit der Vakuumkammer mit abgedichtetem Boden. Lassen Sie die Staubpartikel auf die Isolierplatte laden, die von der Metallplatte gestützt wird.

Verwenden Sie nur eine Durchführung. Setze ein thoriiertes Wolfram-Filament darauf ein. Installieren Sie die Durchführung oben in der Kammer und schließen Sie die Filament-Netzteile an.

Stellen Sie in der ersten Sequenz die Bias-Spannung auf minus 120 Volt ein. Erhöhen Sie dann die Heizspannung. Stoppen Sie, wenn der Emissionsstrom einige Milliampere beträgt.

Notieren Sie die Reaktion der Staubpartikel in der Kammer. In diesem Fall ziehen sie um. Die zweite Sequenz verwendet das gleiche Setup wie die erste.

Stellen Sie in der zweiten Sequenz die Vorspannung auf Null. Erhöhen Sie die Heizspannung, um einen Heizstrom von etwa zwei Ampere zu erreichen. Ändern Sie dann allmählich die Vorspannung von null auf minus 120 Volt.

Notieren Sie die Reaktion der Staubpartikel in der Kammer. In diesem Fall bewegen sie sich nicht. Entfernen Sie für dieses Experiment die Elektrodendurchführung aus der Kammer.

Installieren Sie eine 172-Nanometer-UV-Lampe auf der Durchführung. Bauen Sie die Durchführung wieder ein und schließen Sie die Stromversorgung der Lampe an. Schalten Sie bei gedrückter Kammer die Lampe ein, um die Staubpartikel zu bestrahlen.

Zeichnen Sie die Reaktion der Partikel unter diesen Bedingungen auf. In diesem Experiment werden Staubteilchen mit einem Durchmesser von 10 bis 50 Mikrometern mit Plasma und 120-Elektronenvolt-Strahlelektronen bestrahlt. Es werden keine Teilchen aufgewirbelt, wenn der Elektronenstrahl nicht vorhanden ist.

Dies steht im Einklang mit Sekundärelektronen, die zur Staubaufladung beitragen. Die angehobenen Teilchen werden durch einen Elektronenstrahl induziert, der erzeugt wird, indem zuerst eine Vorspannung eingestellt und dann die Heizspannung erhöht wird, ein Prozess, bei dem Sekundärelektronen entstehen. Im Gegensatz dazu ist keine Staubbewegung zu sehen, wenn zuerst die Heizspannung eingestellt und dann die Vorspannung erhöht wird, ein Prozess ohne Sekundärelektronen.

Staubpartikel, die einer 172-Nanometer-UV-Lampe ausgesetzt sind, zeigen Staubsprünge, wie auf diesem Foto zu sehen. Wenn der Staub über einen längeren Zeitraum UV-Strahlung ausgesetzt ist, verändert sich die Stauboberfläche. Dies wird in einer Reihe von Fotos festgehalten, in denen die Oberfläche glatter wird und schließlich abflacht.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie Staubpartikel kontrolliert bewegen können. Der entscheidende Punkt besteht darin, volle Elektronen und/oder Sekundärelektronen aus staubigen Oberflächen zu erzeugen. Basierend auf diesen Methoden können neue Experimente sowie Computermodelle entwickelt werden, um die Art der Staubaufladung und des Staubtransports besser zu kategorisieren.

Diese Technik ebnet Forschern in der Weltraum- und Planetenforschung sowie in staubigen Plasmen den Weg, die Rolle des elektrostatischen Staubtransports bei der Oberflächenbearbeitung auf luftleeren planetaren Körpern und einer oberflächennahen Staubumgebung um diese Körper herum zu untersuchen. Vergessen Sie nicht, beim Umgang mit thoriierten Wolframdrähten Handschuhe zu tragen, da Thorium eine geringe Radioaktivität aufweist. Decken Sie auch die Fenster der Vakuumkammer ab, um eine mögliche UV-Belastung zu vermeiden.