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

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, prepárese para cargar partículas de polvo.

Utilice una placa aislante de 20 centímetros de diámetro y dos centímetros de grosor, y coloque encima de ella una lámina de goma insultante con un agujero central. A continuación, cargue partículas de polvo aislantes de forma irregular en el orificio. Mueva la placa aislante a la cámara de vacío.

Allí, colócalo en la placa de metal del interior. A continuación, configure una cámara de video para registrar el movimiento del polvo. Para la iluminación, use una luz LED equivalente a una fuente incandescente de al menos 500 vatios.

Esta imagen es de las partículas de polvo antes de que los rayos hayan interactuado con ellas. Este experimento con haz de electrones requiere dos filamentos. Al igual que en este ejemplo, instale un filamento de tungsteno toriado en cada uno de los dos pasos de electrodos.

Instale uno de los pasamuros en la parte superior de la cámara de vacío. Conecte este filamento a las fuentes de alimentación de filamento. A continuación, instale el segundo paso con un filamento en la parte inferior de la cámara.

Continúe bombeando la cámara a la presión base deseada. A continuación, utilice la alimentación de gas argón para llenar la cámara hasta aproximadamente medio milímetro. Cuando esté listo, encienda las fuentes de alimentación del filamento y ajuste el voltaje de polarización a menos 120 voltios.

Encienda la cámara para grabar. En la fuente de alimentación, aumente el voltaje de calentamiento. Deténgase cuando la corriente de emisión sea de unos pocos miliamperios.

Registre la respuesta de las partículas de polvo. Exponen dos electrones energéticos y térmicos que comienzan a moverse. Apague las fuentes de alimentación del filamento y conéctelas al filamento inferior.

Con las fuentes de alimentación encendidas, ajuste el voltaje de polarización a menos 40 voltios. Aumente el voltaje de calefacción para alcanzar una corriente de emisión superior a 200 miliamperios. Registre el movimiento de las partículas de polvo.

Expuestos solo a electrones térmicos, no se mueven. Comience con la cámara de vacío con la parte inferior sellada. Haga que las partículas de polvo se carguen en la placa aislante soportada por la placa metálica.

Utilice solo un paso a través. Instala un filamento de tungsteno toriado sobre él. Instale el paso en la parte superior de la cámara y conecte las fuentes de alimentación de filamento.

En la primera secuencia, ajuste el voltaje de polarización a menos 120 voltios. Luego, aumente el voltaje de calentamiento. Deténgase cuando la corriente de emisión sea de unos pocos miliamperios.

Registre la respuesta de las partículas de polvo en la cámara. En este caso, se mueven. La segunda secuencia utiliza la misma configuración que la primera.

En la segunda secuencia, ajuste el voltaje de polarización a cero. Aumente el voltaje de calefacción para alcanzar una corriente de calefacción de aproximadamente dos amperios. Luego, cambie gradualmente el voltaje de polarización de cero a menos 120 voltios.

Registre la respuesta de las partículas de polvo en la cámara. En este caso, no se mueven. Para este experimento, retire el paso de electrodos de la cámara.

Instale una lámpara UV de 172 nanómetros en el paso de alimentación. Vuelva a instalar el paso y conecte la fuente de alimentación de la lámpara. Con la cámara a presión base, encienda la lámpara para irradiar las partículas de polvo.

Registre la respuesta de las partículas en estas condiciones. En este experimento, se exponen partículas de polvo de 10 a 50 micrómetros de diámetro al plasma y a electrones de haz de 120 electronvoltios. Ninguna partícula se eleva cuando el haz de electrones está ausente.

Esto es consistente con los electrones secundarios que contribuyen a la carga de polvo. Las partículas elevadas son inducidas por un haz de electrones creado estableciendo primero un voltaje de polarización y luego aumentando el voltaje de calentamiento, un proceso que crea electrones secundarios. Por el contrario, no se observa ningún movimiento de polvo cuando se establece por primera vez el voltaje de calentamiento seguido de un aumento del voltaje de polarización, un proceso sin electrones secundarios.

Las partículas de polvo expuestas a la lámpara UV de 172 nanómetros muestran saltos de polvo como se indica en esta foto. Cuando el polvo se expone a la radiación UV durante un tiempo prolongado, la superficie del polvo cambia. Esto se captura en una serie de fotos en las que la superficie se vuelve más suave y finalmente se aplana.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo mover las partículas de polvo de manera controlada. El punto clave es crear electrones completos y/o electrones secundarios a partir de superficies polvorientas. Sobre la base de estos métodos, se pueden desarrollar nuevos experimentos, así como modelos informáticos, para categorizar mejor la naturaleza de la carga y el transporte de polvo.

Esta técnica allana el camino para que los investigadores en ciencias espaciales y planetarias, así como en plasmas polvorientos, exploren el papel del transporte de polvo electrostático en el procesamiento de superficie en cuerpos planetarios sin aire y también en un entorno de polvo cercano a la superficie alrededor de estos cuerpos. No olvide usar guantes cuando manipule alambres de tungsteno toriado debido a la baja radiactividad del torio. Además, cubra las ventanas de la cámara de vacío para evitar cualquier posible exposición a los rayos UV.