Name: Métodos experimentales de polvo de carga y la movilización en las superficies con la exposición a la radiación ultravioleta o Plasmas (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-03T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 54 s
Description: Aprende métodos experimentales de carga y movilización de polvo regolítico usando radiación ultravioleta y plasmas en cámara de vacío. Esta técnica permite estudiar el transporte electrostático de polvo en superficies planetarias sin atmósfera.

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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).

1. instalación de cámara de vacío
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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).</li>
	<li>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.</li>
</ol>2. exposición al plasma térmico con los electrones de la viga
<ol><li>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.</li>
	<li>Llenar la cámara de vacío con gas de argón a presión de ~ 0,5 mTorr.</li>
	<li>Abra los suministros de energía y ajustar la tensión de bias -120 V para el filamento.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.<ol>
<li>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).</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. exposición al haz de electrones sólo
<ol><li>Configurar el experimento tal como se describe en el experimento anterior utilizando el filamento superior.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Operar el filamento en dos modos diferentes.<ol>
<li>Ajustar la tensión de polarización a -120 V, y luego aumentar el voltaje de calefacción hasta que la emisión actual alcanza unos pocos mA.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. exposición a la radiación UV sólo
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>

<ol><li>Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCriswell%2C+DR+%22Photon+and+Particle+Interactions+with+Surfaces+in+Space%22">Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space</a>. , Springer. New York. 545-556 (1973).</li>
<li>Rennilson, J. J., Criswell, D. R. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00655715">Surveyor observations of lunar horizon-glow.</a> Moon. 10 (2), 121-142 (1974).</li>
<li>Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005RG000184/abstract">Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics.</a> Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).</li>
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<li>Smith, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+look+at+the+Saturn+system+-+the+Voyager-2+images%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images.</a> Science. 215 (4532), 504-537 (1982).</li>
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<li>Zimmerman, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JE005049/full">Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths.</a> J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).</li>
<li>Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GL067175/full">Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space.</a> Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Cámara de vacío</td><td>Cualquier</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Alimentación de electrodos de vacío</td><td>Lesker</td><td>EFT0113053</td><td></td></tr><tr><td>Filamento de tungsteno (0,1 mm de grosor)</td><td>Goodfellow</td><td>W055250</td><td>Thoriated</td></tr><tr><td>Fuente de alimentación #1 (0-8 V, 3 A)</td><td>Agilent</td><td>E3610A</td><td>o equivalente</td></tr><tr><td>Fuente de alimentación #2 (0-140 V, 0,5 A)</td><td>Agilent</td><td>E3612A</td><td>o equivalente</td></tr><tr><td>Lámpara UV</td><td>Osram</td><td>XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV</td><td>O equivalente</td></tr><tr><td>Muestra de polvo</td><td>Cualquier</td><td>simulante de Marte o Luna u otros tipos</td><td>De forma irregular, tamizada, aislante</td></tr><tr><td>Placa aislante</td><td>Cualquier</td><td>NA</td><td>Espesor > 1 cm</td></tr><tr><td>Lámina de caucho</td><td>Cualquier</td><td>NA</td><td>Espesor > 1 mm</td></tr><tr><td>Placa metálica</td><td>Cualquier</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Soportes cerámicos</td><td>McMaster</td><td>94335A130</td><td>1/2" de diámetro</td></tr><tr><td>Cámara de vídeo (consumidor)</td><td>Panasonic</td><td>HC-VX870</td><td>o equivalente</td></tr><tr><td>Cámara de vídeo (alta velocidad)</td><td>Phantom</td><td>V2512</td><td>> lámpara LED de 1000 fps</td></tr><tr><td></td><td>Cualquier</td><td>NA</td>> <td>500W Equivalente a tungsteno</td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

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.

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 ...

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.

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

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

El objetivo general de este experimento es mostrar los mecanismos que hacen que las partículas de polvo de regolito en condiciones espaciales o de laboratorio obtengan suficiente carga para elevarse o movilizarse. Este método puede ayudar a responder una pregunta clave sobre el papel de la electricidad, el transporte de polvo en la formación de la superficie de los cuerpos sin aire en el sistema solar. Este método allana el camino para futuros estudios, incluidos los experimentos y el modelado por computadora, para explicar en última instancia las observaciones espaciales existentes y proporcionar orientación para futuras investigaciones de misiones.Este método demuestra cómo mover las partículas de polvo de una manera controlada, lo que puede ayudar a otros investigadores a desarrollar sus propios experimentos. El demostrador del procedimiento estará a cargo de Noah Hood, un estudiante de pregrado de nuestro laboratorio. Los experimentos requieren una cámara de vacío.Este tiene 50 centímetros de diámetro y 28 centímetros de alto y está conectado a un tanque de argón y un sistema de bombeo. En el interior hay una placa metálica que está aislada eléctricamente. En este punto, prepár

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Un método experimental para examinar la evolución de plasma precoz inducida por pulsos láser ultracortos se describe. Usando este método, las imágenes de alta calidad de plasma a principios se obtienen con altas resoluciones espaciales y temporales. Una novela modelo de integración atomista se utiliza para simular y explicar los mecanismos de plasma temprano.

Investigación de la Evolución de plasma precoz inducida por pulsos láser ultracortos

Cavitación acústica en líquidos sometidos a ultrasonidos de potencia crea condiciones extremas transitorias dentro de las burbujas colapsan, que son el origen de la inusual reactividad química y la emisión de luz, conocidos como sonoluminiscencia. En presencia de gases nobles, se forma el plasma de no equilibrio. Las partículas "calientes" y los fotones generados por el colapso de las burbujas son capaces de excitar a las especies en solución.

Activación de moléculas, iones y partículas sólidas con cavitación acústica

Esta película muestra cómo una antorcha de plasma atmosférico puede ser encendida por microondas sin encendedores adicionales y proporciona una operación de plasma estable y continua adecuada para muchas aplicaciones.

Cómo Encender una presión atmosférica de microondas de la antorcha de plasma sin ningún Encendedores adicionales

En este artículo, un protocolo experimental para investigar la aerosolización de las partículas de un producto sujeto a la abrasión y bajo la intemperie del medio ambiente se presenta. Los resultados sobre la emisión de nanomateriales artificiales, en forma de aerosoles se presentan. La específica experimental se describe en detalle.

Protocolo experimental para investigar las partículas aerosolización del producto objeto de la abrasión y Bajo El desgaste del Medio Ambiente

El desarrollo de nuevos materiales ablativos y su modelado numérico requiere una extensa investigación experimental. Este protocolo describe los procedimientos para la caracterización de la respuesta del material en flujos de plasma, siendo las técnicas principales métodos no intrusivos para rastrear la recesión del material junto con la química en la capa límite reactiva mediante espectroscopia de emisión.

Investigación capa de emisión espectroscópica de límites durante el ablativo de Ensayo de Materiales en Plasmatron

Se creó una configuración experimental para el chorro de plasma de frecuencia kHz operado con helio. La configuración incluye una jaula para la fuente de alimentación de plasma y el chorro y un reactor construido internamente para monitorear las especies reactivas inducidas por plasma sin la interferencia de la atmósfera ambiente.

Una instalación de plasma a presión atmosférica para investigar la formación de especies reactivas

Este artículo describe un reactor de microondas que fluye que se utiliza para conducir la química eficiente del no-equilibrio para la aplicación de la conversión / activación de moléculas estables tales como CO 2 , N 2 y CH 4 . El objetivo del procedimiento descrito aquí es medir la temperatura in situ del gas y la conversión de gas.

Plasma de microondas sin equilibrio para una química eficiente a altas temperaturas

Se muestra un protocolo de tratamiento de plasma físico frío de alto rendimiento de las células y líquidos. Se trata de configurar composiciones de gas de alimentación diferentes para ignición de plasma, medición de espectros de emisión de plasma y el posterior análisis de líquidos y actividad celular después del tratamiento de plasma.

Investigación básica en medicina de Plasma - un enfoque de rendimiento de procesamiento de líquidos a las células

Este protocolo se presenta para caracterizar la configuración, manejo y aplicación del COST-Jet para el tratamiento de diversas superficies como sólidos y líquidos.

Tratamiento de superficies con un plasma de presión atmosférica fría utilizando el COST-Jet

Este estudio presenta la metodología para la generación de seis tipos diferentes de descargas de plasma dentro de un reactor de plasma de vórtice hiperbólico para la degradación de microcontaminantes en el agua, incluidos productos farmacéuticos y sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS).

Implementación de un reactor de plasma de vórtice hiperbólico para la eliminación de microcontaminantes en el agua

Aprende métodos experimentales de carga y movilización de polvo regolítico usando radiación ultravioleta y plasmas en cámara de vacío. Esta técnica permite estudiar el transporte electrostático de polvo en superficies planetarias sin atmósfera.

Métodos experimentales de polvo de carga y la movilización en las superficies con la exposición a la radiación ultravioleta o Plasmas (Video) | JoVE Journal

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

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