Méthodes expérimentales de charge de poussière et de mobilisation sur les Surfaces à l’exposition au rayonnement Ultraviolet ou Plasmas

L’objectif général de cette expérience est de montrer les mécanismes qui font que les particules de poussière de régolithe dans des conditions spatiales ou de laboratoire acquièrent suffisamment de charge pour se gonfler ou se mobiliser. Cette méthode peut aider à répondre à une question clé sur le rôle du transport de poussière électrique dans la formation de la surface des corps sans air dans le système solaire. Cette méthode ouvre la voie à de futures études, y compris des expériences et des modélisations informatiques, afin d’expliquer les observations spatiales existantes et de fournir des orientations pour les futures enquêtes de mission.

Cette méthode montre comment déplacer les particules de poussière de manière contrôlée, ce qui peut aider d’autres chercheurs à développer leurs propres expériences. La démonstration de la procédure sera assurée par Noah Hood, un étudiant de premier cycle de notre laboratoire. Les expériences nécessitent une chambre à vide.

Celui-ci mesure 50 centimètres de diamètre et 28 centimètres de haut et est relié à un réservoir d’argon et à un système de pompe. À l’intérieur se trouve une plaque métallique isolée électriquement. À ce stade, préparez-vous à charger les particules de poussière.

Utilisez une plaque isolante de 20 centimètres de diamètre et de deux centimètres d’épaisseur, et placez dessus une feuille de caoutchouc insultante avec un trou central. Ensuite, chargez des particules de poussière isolantes de forme irrégulière dans le trou. Déplacez la plaque isolante dans la chambre à vide.

Là, placez-le sur la plaque métallique à l’intérieur. Ensuite, installez une caméra vidéo pour enregistrer le mouvement de la poussière. Pour l’éclairage, utilisez une lumière LED équivalente à une source incandescente d’au moins 500 watts.

Cette image montre les particules de poussière avant que les faisceaux n’aient interagi avec elles. Cette expérience de faisceau d’électrons nécessite deux filaments. Comme dans cet exemple, installez un filament de tungstène thorié sur chacune des deux traversées d’électrodes.

Installez l’un des traversées sur le dessus de la chambre à vide. Connectez ce filament aux alimentations du filament. Ensuite, installez le deuxième passage avec un filament au fond de la chambre.

Continuez en pompant la chambre à la pression de base souhaitée. Ensuite, utilisez l’alimentation en gaz argon pour remplir la chambre à environ un demi-millimètre. Lorsque vous êtes prêt, allumez les alimentations à filament et réglez la tension de polarisation sur moins 120 volts.

Allumez l’appareil photo pour enregistrer. Au niveau de l’alimentation, augmentez la tension de chauffage. S’arrêter lorsque le courant d’émission est de quelques milliampères.

Enregistrez la réponse des particules de poussière. Exposez deux électrons énergétiques et thermiques qui commencent à se déplacer. Éteignez les alimentations du filament et connectez-les au filament inférieur.

Avec les blocs d’alimentation allumés, réglez la tension de polarisation sur moins 40 volts. Augmentez la tension de chauffage pour atteindre un courant d’émission supérieur à 200 milliampères. Enregistrez le mouvement des particules de poussière.

Exposés uniquement à des électrons thermiques, ils ne bougent pas. Commencez par la chambre à vide avec le fond scellé. Faites charger les particules de poussière sur la plaque isolante soutenue par la plaque métallique.

N’utilisez qu’un seul travers. Installez un filament de tungstène thorié dessus. Installez le passage sur le dessus de la chambre et connectez les alimentations à filament

Dans la première séquence, réglez la tension de polarisation sur moins 120 volts. Ensuite, augmentez la tension de chauffage. S’arrêter lorsque le courant d’émission est de quelques milliampères.

Enregistrez la réponse des particules de poussière dans la chambre. Dans ce cas, ils se déplacent. La deuxième séquence utilise la même configuration que la première.

Dans la deuxième séquence, réglez la tension de polarisation à zéro. Augmentez la tension de chauffage pour atteindre un courant de chauffage d’environ deux ampères. Ensuite, changez progressivement la tension de polarisation de zéro à moins 120 volts.

Enregistrez la réponse des particules de poussière dans la chambre. Dans ce cas, ils ne bougent pas. Pour cette expérience, retirez le passage de l’électrode de la chambre.

Installez une lampe UV de 172 nanomètres sur le traversant. Réinstallez le traversoir et branchez l’alimentation électrique de la lampe. Avec la chambre à la pression de base, allumez la lampe pour irradier les particules de poussière.

Enregistrez la réponse des particules dans ces conditions. Dans cette expérience, des particules de poussière de 10 à 50 micromètres de diamètre sont exposées à du plasma et à des électrons de 120 électrons-volts. Aucune particule n’est élevée lorsque le faisceau d’électrons est absent.

Cela correspond au fait que les électrons secondaires contribuent à la charge de poussière. Les particules gonflées sont induites par un faisceau d’électrons créé en fixant d’abord une tension de polarisation, puis en augmentant la tension de chauffage, un processus qui crée des électrons secondaires. En revanche, aucun mouvement de poussière n’est observé lorsque la tension de chauffage est d’abord réglée suivie d’une augmentation de la tension de polarisation, un processus sans électrons secondaires.

Les particules de poussière exposées à une lampe UV de 172 nanomètres montrent des sauts de poussière comme indiqué sur cette photo. Lorsque la poussière est exposée aux rayons UV pendant une période prolongée, la surface de la poussière change. Ceci est capturé dans une série de photos dans lesquelles la surface devient plus lisse et finit par s’aplatir.

Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon de déplacer les particules de poussière de manière contrôlée. Le point clé est de créer des électrons pleins et/ou des électrons secondaires à partir de surfaces poussiéreuses. Sur la base de ces méthodes, de nouvelles expériences, ainsi que des modélisations informatiques, peuvent être développées pour mieux catégoriser la nature du chargement et du transport de la poussière.

Cette technique ouvre la voie aux chercheurs en sciences spatiales et planétaires, ainsi qu’aux plasmas poussiéreux, pour explorer le rôle du transport électrostatique de la poussière dans le traitement de surface des corps planétaires sans air et d’un environnement de poussière près de la surface autour de ces corps. N’oubliez pas de porter des gants lorsque vous manipulez des fils de tungstène thoriés en raison de la faible radioactivité du thorium. Couvrez également les fenêtres de la chambre à vide pour éviter toute exposition possible aux UV.