Streuung und Absorption des Lichts in planetarischen Regolithen

Die Methoden in diesem Protokoll können helfen, das offene Rechenproblem der Lichtstreuung durch planetarische Regolithen, dicht gepackte Schichten von Teilchen auf den Oberflächen von Asteroiden, die durch Kerne und andere Objekte des Sonnensystems gehen, zu lösen. Um die Berechnungen zu validieren, führen wir einzigartige berührungslose und zerstörungsfreie Messungen auf der Grundlage der Ultraschall-Probenschwebung ein. Wir haben die volle Kontrolle über die Position und Ausrichtung der Probe.

Hier wenden wir validierte Berechnungsmethoden an, um Beobachtungen des Asteroiden 4 Vesta und 67P/Tschurjumow-Gerasimenko zu interpretieren. Die rechnerischen und experimentellen Methoden sind universell und können beispielsweise in der terrestrischen Fernerkundung, nanoskaligen Materialwissenschaften und biomedizinischen Optiken eingesetzt werden. Die Verwendung dieser Methoden erfordert Geduld.

Der Aufwand zahlt sich jedoch aufgrund der absoluten und quantitativen Natur des Ergebnisses aus. Die visuelle Demonstration der Methoden ist von entscheidender Bedeutung. Der experimentelle Teil, der in diesem Video gezeigt wird, kombiniert modernste Techniken sowohl in der Optik als auch in der Akustik.

Die Demonstration des Verfahrens werden Dr.Antti Penttila, Frau Julia Martikainen, Herr Petteri Helander, Herr Goran Maconi und Herr Timo Vaisanen sein. Richten Sie zunächst das Streumesser ein, indem Sie die Lichtquelle, Fotomultiplikatorröhren und Verstärker einschalten. Lassen Sie das System für 30 Minuten stabilisieren.

Richten Sie als Nächstes den akustischen Sample-Levitator ein, indem Sie das Mikrofon in der Mitte des Levitators einsetzen und das Kalibrierskript ausführen. Dann machen Sie einen Messfeger mit einem leeren Levitator. Der Sweep zeigt alle Signale, die durch Umgebungslicht, Reflexionen aus der Umgebung oder elektrische Geräusche erzeugt werden.

Verwenden Sie nach dem Setup einen akustisch transparenten Mesh-Löffel, um die Probe in den akustischen Levitator zu injizieren. Mit einer Videokamera und einer Hochvergrößerungsoptik können Sie die Ausrichtung und Stabilität der Probe vor und nach den Streumessungen überprüfen. Die Festigkeit und Assymmetrie der Akustikfalle ist für maximale Probenstabilität optimiert.

Dadurch wird die Schallenergie so gering wie möglich eingestellt. Wenn die Probe asymmetrisch ist, drehen Sie sie um die vertikale Achse, um Informationen über ihre Form zu erhalten. Führen Sie die Drehung durch langsames Ändern der Ausrichtung der akustischen Falle.

Wenden Sie während der Bildgebung zusätzliche Beleuchtung an, um die Bildqualität zu verbessern. Schließen Sie anschließend die Messkammer, um externes Licht zu blockieren. Wählen Sie über die Computerschnittstelle die Ausrichtung der Probe sowie die Winkelauflösung und den Bereich der Messung aus.

Das eintreffende und das Streulicht werden durch motorisierte Linearpolarisatoren gefiltert. Führen Sie den automatisierten Mess-Sweep aus. Dadurch werden vier Punkte für jeden Winkel mit Polarisatorausrichtungen horizontal-horizontal, horizontal-vertikal, vertikal-vertikal und vertikal-horizontal gemessen.

Stellen Sie die Probe nach der Messung wieder her, indem Sie das akustische Feld abschalten und die Probe auf das akustisch transparente Gewebe fallen lassen. Führen Sie dann einen weiteren Mess-Sweep mit einem leeren Levitator aus, um mögliche Drifts aufgrund der Umgebungslichtbedingungen zu erkennen. Wenn Sie fertig sind, speichern Sie die Daten.

Analysieren Sie die Daten, um Mueller-Matrixelemente für jeden Winkel durch lineare Kombination von Intensitäten bei verschiedenen Polarisationen zu berechnen. Verwenden Sie zum Starten der Modellierung den SSH-Zugriff, um eine Verbindung zum CSC IT Center for Science Limited Cluster Taito herzustellen. Laden Sie alle erforderlichen Programme herunter und kompilieren Sie sie, die für Taito vorkonfiguriert sind, indem Sie bash compile.sh ausführen.

Öffnen Sie anschließend den Texteditor Nano, und richten Sie die Parameter für einen einzelnen Streuer, ein Volumenelement und das untersuchte Beispiel ein, um dem untersuchten Beispiel zu entsprechen, indem Sie die Datei PARAMS ändern. Führen Sie dann die Pipeline aus, indem Sie den Befehl bash run.sh ausführen. Wenn Sie fertig sind, schreiben Sie die vollständige Mueller-Matrix des Samples als final.out in den temporären Ordner.

Verwenden Sie Siris4, um die Streueigenschaften von Howarditpartikeln zu berechnen, indem Sie zuerst die ausführbare Datei Siris4 in denselben Ordner mit der Eingabedatei und der P-Matrix-Datei verschieben. Kopieren Sie dann die input_1. in und pmatrix_1.

aus dem Testordner. In input_1. in, setzen Sie die Anzahl der Strahlen auf zwei Millionen, die Anzahl der Probenteilchen auf 1 000, die Standardabweichung des Radius auf 0,17 und den Leistungsrechtsindex der Korrelationsfunktion auf drei.

Legen Sie dann den realen Teil des Brechungsindex auf 1,8 fest und verwenden Sie den imaginären Teil des Brechungsindex n, wie im Textprotokoll beschrieben. Führen Sie als Nächstes Siris4 aus, indem Sie den hier gezeigten Befehl für jede Wellenlänge von 0,4 bis 2,5 Mikrometer mit einem Größenbereich von 10 bis 200 Mikrometern Durchmesser mit einem Abtastschritt von 10 Mikrometern ausführen. Speichern Sie als Nächstes jede berechnete Streuphasenmatrix p in einem pmatrix_x.

in der Datei. Das x im Dateinamen beschreibt die Wellenlängenzahl und reicht von eins bis 43 für jede Partikelgröße. Die Datei enthält die Streuwinkel sowie die Streumatrixelemente P11, P12, P22, P33, P34 und P44 für eine Wellenlänge und Partikelgröße.

Durchschnittlich die erhaltenen Streuungsmatrizen, einzelne Streualbedos und mittlere freie Pfade über eine Größenverteilung des Energiegesetzes mit einem Index wert von 3,2. Verwenden Sie diffuse Streuer innerhalb eines Vesta-großen Volumes mit einem Brechungsindex von einem. Verwenden Sie in der Eingabedatei die durchschnittliche einzelne Streuung von Albedos und die mittleren freien Pfadlängen für interne Streuer.

Führen Sie als Nächstes Siris4 bei jeder Wellenlänge aus, indem Sie den hier gezeigten Befehl ausführen, wobei x die Wellenlänge ist. Der Code liest die gemittelten Streuungsmatrizen als Eingabe für die internen diffusen Streuer. Skala Vestas beobachtete Spektren auf einen geometrischen Albedo-Wert von 0,42327 bei 0,55 Mikrometern.

Um auf 17,4 Grad zu kommen, wenden Sie den Faktor 0,491 auf die skalierten Spektren an. Vergleichen Sie sowohl die modellierten als auch die beobachteten Spektren über den gesamten Wellenlängenbereich hinweg. Laden Sie zunächst die Quelldateien mit Git herunter und verschieben Sie die Dateien in das heruntergeladene Verzeichnis cd protocol4b.

Als Nächstes laden Sie alle erforderlichen Programme herunter und kompilieren Sie sie, indem Sie bash compile.sh ausführen. Wenn Sie bereit sind, kopieren Sie die gemittelte Eingabestreuungsmatrix sowie die Amplitudenstreuungsmatrix in das aktuelle Arbeitsverzeichnis. Öffnen Sie als Nächstes den Texteditor Nano und ändern Sie die Datei PARAMS, um die gewünschten Parameter festzulegen.

Führen Sie die Pipeline aus, indem Sie bash run.sh ausführen. Schreiben Sie dann die vollständige Mueller-Matrix als rtcb.out in den temporären Ordner. Starten Sie in MATLAB, und führen Sie die Mittelungsroutine powerlaw_ave aus.

m die Ergebnisse über die Größenverteilung des Index minus drei nach Berechnung der Komaphasenfunktionen aus dem Siris4-Solver zu durchschnittlich. Die erwarteten Routineausgänge sind pmatrix2. in, Albedo und dem gemeinen freien Weg.

Als Nächstes legen Sie die Ergebnisse der Ausgänge Albedo und den mittleren freien Pfad in die Eingabe fest. in der Datei. Legen Sie die Größe auf eine Milliarde fest, und legen Sie den Leistungsrechtsindex der Korrelationsfunktion für die Form auf 2,5 fest.

Führen Sie dann Siris4 mit der hier gezeigten Befehlszeile aus, um die Kernphasenfunktion zu erhalten. Mit Siris4 wurden die Streueigenschaften von 100.000 Aggregaten gelöst und gemittelt. Diese Ergebnisse werden hier dargestellt und zeigen die experimentellen Messungen und eine zusätzliche Simulation ohne das effektive Medium.

Beide Optionen für die Partikelverteilung ergaben eine Übereinstimmung mit der gemessenen Phasenfunktion, obwohl sie zu unterschiedlichen Polarisationseigenschaften führen. Diese Unterschiede können verwendet werden, um die zugrunde liegende Verteilung der Partikel in der Probe zu identifizieren. Die beste Wahl ist, die abgeschnittene Normalverteilung anstelle der Äquisepartikel zu verwenden.

Wenn nur normalisierte Phasenfunktionen verwendet werden, ergeben die beiden Verteilungen ununterscheidbare Ergebnisse. Für die Depolarisation haben die numerischen Ergebnisse ähnliche Merkmale wie die gemessene Kurve, aber die Funktionen werden um 10 Grad in die Rückstreurichtung verschoben. Die Unterschiede in der Polarisation deuten darauf hin, dass die Probe vermutlich eine komplexere Struktur aufweist als das homogene Modell.

Es ist jedoch jenseits der vorhandenen mikroskopischen Methoden für die Probencharakterisierung, um die wahre Struktur des Aggregats abzurufen. Hier wurde die photometrische Phasenkurve mit der linearen Abhängigkeit von der Magnitude begleitet, die den Effekt des Schattens in einem dicht gepackten hohen Albedo-Regolith nachahmt. Das Modell erklärt erfolgreich die beobachteten photometrischen und polarimetrischen Phasenkurven und bietet eine realistische Vorhersage für die maximale Polarisation.

Auffallend ist, wie der winzige Bruchteil der kleinen Teilchenpopulation in der Lage ist, die Erklärung der Phasenkurven zu vervollständigen. Bei dieser Durchführung dieses Experiments ist die Ultraschall-Probenschwebung der Schlüssel zu erfolgreichen Streumessungen. Im rechnerischen Teil ist die inkohärente Behandlung der Streuung innerhalb des Mediums der Teilchen wesentlich.

In Zukunft planen wir, die experimentellen Methoden auf größere und kleinere Proben auszudehnen, die in Zentimeter- und Mikrometerskalen reichen. Wir entwickeln derzeit Möglichkeiten, die vollständige Ultraschall-Probenkontrolle in Mikroskopen zu nutzen. Ergreifen Sie bei der Durchführung dieses Protokolls geeignete Vorsichtsmaßnahmen, da bei diesen Messungen leistungsstarke Ultraschall- und Lichtquellen verwendet werden.