Artículo de método

Métodos experimentales de polvo de carga y la movilización en las superficies con la exposición a la radiación ultravioleta o Plasmas

DOI:

10.3791/57072

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3 de abril de 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

En este artículo

Resumen

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Polvo de carga y movilización se demostró en tres experimentos de exposición térmica plasma con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo radiación ultravioleta (UV). Estos experimentos presentan la comprensión avanzada de transporte de polvo electrostático y su papel en la conformación de las superficies de los cuerpos planetarios sin aire.

Resumen

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Transporte de polvo electrostática ha planteado la hipótesis para explicar un número de observaciones de fenómenos planetarios inusuales. Aquí, se demuestra utilizando tres recientemente desarrollado experimentos en que polvo partículas están expuestas a termal plasma con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo radiación ultravioleta (UV). La fuente de luz UV tiene una banda estrecha de longitud de onda centrada en 172 nm. Los electrones de la viga con la energía del eV 120 se crean con un filamento caliente negativamente sesgado. Cuando la cámara de vacío se llena con el gas argón, se crea un plasma térmico además el haz de electrones. Partículas de polvo aislante de unas pocas decenas de micras de diámetro se utilizan en los experimentos. Las partículas de polvo se registran para ser abuhardilladas hasta unos pocos centímetros de altura con una velocidad de lanzamiento hasta 1 m/s. Estos experimentos demuestran que la emisión foto o secundaria electrones desde una superficie polvorienta cambia el mecanismo de carga de las partículas de polvo. Según el recientemente desarrollado "parches, modelo de carga", los electrones emitidos pueden ser absorbidos nuevamente dentro de microcavidades entre vecinos las partículas de polvo debajo de la superficie, causando la acumulación de cargas negativas mejoradas en el polvo circundante partículas. Las fuerzas repulsivas entre ellos cargan negativamente las partículas pueden ser lo suficientemente grandes para movilizar y elevación de la superficie. Estos experimentos presentan la comprensión avanzada de polvo de carga y transporte sobre superficies polvorientas y sentaron las bases para futuras investigaciones sobre su papel en la evolución de la superficie de cuerpos planetarios sin aire.

Introducción

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Cuerpos planetarios sin aire, como la luna y los asteroides, están cubiertos de finas partículas de polvo llamadas regolito. Estos cuerpos sin aire, a diferencia de la tierra, directamente están expuestos a plasma del viento solar y solar (UV) la radiación ultravioleta, que causa el polvo de regolito a cargar. Estas cargado partículas de polvo pueden por lo tanto movilizadas, abuhardilladas, transportadas, o incluso expulsadas y perdidas de la superficie por fuerzas electrostáticas. La primera sugiere evidencia de este proceso electrostático fue el llamado "resplandor del horizonte lunar", una luz distinta sobre el horizonte occidental observada poco después del atardecer por naves espaciales Surveyor 5, 6 y 7 hace cinco décadas (Figura 1a)1, 2,3. Se ha presumido que este resplandor fue causado por la luz solar dispersada apagado de partículas de polvo electrostático tipo loft (5 μm radio) a una altura < 1 m por encima de la superficie cerca del terminador lunar1,2,3. Electrostático lanzado polvo fino también se sugirió para ser responsable de la marca ray-como llegar a una gran altura por los astronautas de Apolo4,5.

Puesto que estas observaciones de Apolo, una serie de observaciones sobre otros cuerpos sin aire también fueron vinculados a los mecanismos de movilización de polvo electrostático o lofting, tales como los rayos radiales en el Saturno anillos6,7, 8, los estanques de polvo en el asteroide Eros (Figura 1b)9 y cometa 67 P10, indicaron las superficies porosas de los espectros asteroides del cinturón principal11, la superficie inusualmente suave de Saturno icy Luna Atlas12y el regolito en los remolinos lunares13. Además, la degradación de los catadióptricos de láser en la superficie lunar puede ser también causada por la acumulación de polvo electrostático tipo loft14.

Estudios de laboratorio han sido en gran parte motivados por estas observaciones inusuales espacio para entender los procesos físicos de la carga de polvo y transporte. Movilización de polvo se ha observado en diversas condiciones de plasma, en el que las partículas de polvo son arrojar apagado de un cristal esfera superficie15,16, levitación en plasma vainas17y grabado para mover tanto en realización como aislante las superficies18,19,20,21. Sin embargo, cómo las partículas de polvo obtener cargos bastante grandes ser abuhardilladas o movilizado seguía siendo mal entendida. Las mediciones de las cargas en partículas individuales sobre una superficie lisa22 y la densidad de carga promedio sobre una superficie polvorienta23 inmerso en plasmas muestran que los cargos son demasiado pequeños para partículas de polvo abuhardilladas o movilizado.

En las teorías anteriores16,24,25, la carga era considerado sólo para ocurrir en la capa superficial que está directamente expuesta a UV o plasma. Los cargos se consideran a menudo para ser distribuido uniformemente sobre toda la superficie polvorienta, es decir., cada partícula de polvo individual adquiere la misma cantidad de carga, descrito por el supuesto "modelo de carga compartida"16. Sin embargo, los cargos calculados a partir de este modelo son mucho menores que la fuerza de la gravedad solamente. Una teoría de la fluctuación de carga que representa para el proceso estocástico de los flujos de electrones e iones a la superficie16,24 muestra una mejora temporal en la fuerza electrostática, pero sigue siendo pequeña en comparación con el fuerza gravitacional.

En este papel, polvo electrostático lofting y movilización se demostró utilizando tres recientemente desarrollado experimentos26, que son importantes para comprender el transporte de polvo en el regolito de cuerpos planetarios sin aire. Estos experimentos se realizan en las condiciones de plasma térmico con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo la radiación ultravioleta. Estos experimentos demuestran la validez de los recientemente desarrollados "parcheado modelo carga"26,27, en que microcavidades forman entre los vecinos de las partículas de polvo debajo de la superficie vuelva a pueden absorber la foto emitida o electrones secundarios, generando grandes cargas en las superficies de las partículas de polvo vecino negativas. Las fuerzas repulsivas entre estas cargas negativas pueden ser lo suficientemente grandes para movilizar o levantar las partículas de polvo.

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Protocolo

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1. instalación de cámara de vacío

  1. Coloque una hoja de goma aislante (0,2 cm de espesor, 5 cm de diámetro) con un agujero central de 1,9 cm de diámetro en una placa aislante (2 cm de espesor y 20 cm de diámetro) (Figura 2a, b). Aislamiento, forma irregular partículas de polvo (entre 10 y 50 μm de diámetro) en el orificio de carga.
  2. Coloque la placa aislante en un pie de la placa de metal en medio de una cámara de vacío. Aislar eléctricamente a la placa metálica de la cámara usando separadores de cerámica.
  3. Encender las bombas de vacío (una bomba de turbo con una bomba de desbaste mecánica) hasta alcanzar la presión base de ~ 10-6 Torr. Los experimentos que se realizan en un compartimiento vacío cilíndrico de acero inoxidable, 50 cm de diámetro y 28 cm de altura (figura 2C).
  4. Registrar el movimiento de polvo y enmarcado con una cámara de vídeo a una velocidad regular de 30 cuadros/s (fps) o una cámara de alta velocidad (> 2000 fps). Usar una luz LED con la iluminación máxima equivalente a > 500W incandesce luz para producir suficiente luz en las partículas de polvo para grabación de vídeo de buena calidad.
    Nota: La goma es debido a su color oscuro que reduce al mínimo la reflexión de la luz a la cámara. Las partículas de polvo de color claro puede usarse para fotografiar mejor debido al contraste de color a la superficie de la goma oscura. La placa aislante gruesa se utiliza para eliminar el efecto del campo eléctrico entre la superficie de la placa aislante y placa de metal en el polvo de carga y la movilización. En esta demostración, simulador de Marte (JSC-Marte-1 tamizado para el diámetro medio de 38-48 μm, masa densidad de 1,9 g/cm-3 y composición principal de SiO2 28) fueron utilizados, que se asemeja al polvo general regolito de órganos sin aire en el interior sistema solar. También se probaron otros tipos de aislante de partículas de polvo, como simulante lunar (JSC-1), simulante lunar highland (LHT) y polvo de sílice pura.

2. exposición al plasma térmico con los electrones de la viga

  1. Colocar un filamento de tungsteno thoriated (0,1 mm de espesor y ~ 3 cm de largo) a un paso del electrodo e instalarlo en la parte superior de la cámara. Entonces la bomba la cámara hasta la presión de base.
  2. Llenar la cámara de vacío con gas de argón a presión de ~ 0,5 mTorr.
  3. Abra los suministros de energía y ajustar la tensión de bias -120 V para el filamento.
  4. Aumentar el voltaje de calefacción para la calefacción actual ~ 2A hasta la emisión de corriente alcanza un valor deseado (unos pocos mA). Electrones energéticos con la energía del eV 120 se emitirá desde el filamento.
    Nota: Estos electrones de la viga-como principal impactan átomos de argón neutral, haciéndolos ser ionizado y creando un plasma con una temperatura del electrón alrededor de 2 eV. Una gran fracción de los electrones del haz primario alcanza directamente la superficie polvorienta sin colisiones con los átomos neutrales. Las partículas de polvo por lo tanto están expuestas a los electrones plasma y haz ambos termal.
  5. Para mostrar el papel de los electrones del haz energético en el transporte de polvo, use una operación alternativa de crear un plasma térmico sobre las partículas de polvo.
    1. Encienda un filamento alternativo en la parte inferior de la cámara con el voltaje de bias -40 V y emisión de corriente hasta 400 mA (Figura 2a). Los electrones primarios emitidos por el filamento se detendrá por la placa metálica debajo de la placa insultante en el que las partículas de polvo descansan (Figura 2a, b).
    2. Variar la emisión actual para cambiar el campo eléctrico sobre la superficie. Corriente más alta crea mayor densidad de plasma más delgada envoltura y así mayor campo eléctrico.

3. exposición al haz de electrones sólo

  1. Configurar el experimento tal como se describe en el experimento anterior utilizando el filamento superior.
  2. Encienda el filamento superior bajo la presión de base 10-6 Torr (es decir., no alimentados gas argón en la cámara). No plasma se crea mientras que solamente los electrones de la viga del eV 120 emitieron por el filamento Bombardee las partículas de polvo.
  3. Operar el filamento en dos modos diferentes.
    1. Ajustar la tensión de polarización a -120 V, y luego aumentar el voltaje de calefacción hasta que la emisión actual alcanza unos pocos mA.
    2. Aumentar el voltaje de calefacción para alcanzar una calefacción deseada actual ~ 2 A, entonces aumentar el voltaje bias de 0 V gradualmente a -120 V para emitir electrones a una emisión de corriente de unos pocos mA.

4. exposición a la radiación UV sólo

  1. Vuelva a colocar el filamento superior con una lámpara ultravioleta (figura 2b) y vaciado de la cámara a la presión de base. Utilice una lámpara de Osram xenon excimer, que emite la luz de longitud de onda de 172 nm UV. La energía del fotón correspondiente es 7,2 eV, más grande que la función de trabajo de la superficie del polvo (~ 5,5 eV) para emitir fotoelectrones.
    Nota: Se espera más corta longitud de onda UV que irradia fotones de mayor energía para crear más cargos en las partículas de polvo y por lo tanto, más movilización, basado en el modelo de carga parches26,27.
  2. Encender la lámpara Ultravioleta que irradian las partículas de polvo. En la demostración, la irradiación de fotones es 40 mW/cm-2 en la fuente de UV y ~ 16 mW/cm-2 en la superficie polvorienta.

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Resultados

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Un conjunto de experimentos se realizaron con los filamentos de la parte superior o inferior. Con la configuración del filamento superior, se registró el salto de las partículas de polvo (figura 3a). En cambio, las partículas de polvo permanecieron en reposo cuando se utiliza el filamento de la parte inferior. Se ha medido que la vertical campo eléctrico en la superficie era aproximadamente mismo (16 V/cm) en ambos experimentos bajo las condiciones descritas ...

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Discusión

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Durante décadas, el problema de transporte de polvo electrostático sobre el regolito de cuerpos privados de aire seguía siendo una incógnita cómo las partículas de polvo de regolito ganan cargos suficientemente grandes para ser movilizado o abuhardilladas. Recientes estudios de laboratorio26,27 ha avanzado fundamentalmente la comprensión de este problema.

Aquí, es demostrados tres experimentos recientemente desarrollados para mostrar p...

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Divulgaciones

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Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue financiado por el Instituto de NASA/SSERVI Plasma modelado, atmósferas y polvo cósmico (impacto) y por el programa de funcionamiento de sistemas de energía Solar de NASA (número: NNX16AO81G).

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cámara de vacíoCualquierNA
Alimentación de electrodos de vacíoLeskerEFT0113053
Filamento de tungsteno (0,1 mm de grosor)GoodfellowW055250Thoriated
Fuente de alimentación #1 (0-8 V, 3 A)AgilentE3610Ao equivalente
Fuente de alimentación #2 (0-140 V, 0,5 A)AgilentE3612Ao equivalente
Lámpara UVOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVO equivalente
Muestra de polvoCualquiersimulante de Marte o Luna u otros tiposDe forma irregular, tamizada, aislante
Placa aislanteCualquierNAEspesor > 1 cm
Lámina de cauchoCualquierNAEspesor > 1 mm
Placa metálicaCualquierNA
Soportes cerámicosMcMaster94335A1301/2" de diámetro
Cámara de vídeo (consumidor)PanasonicHC-VX870o equivalente
Cámara de vídeo (alta velocidad)PhantomV2512> lámpara LED de 1000 fps
CualquierNA500W Equivalente a tungsteno
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Referencias

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