מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

המטרה הכוללת של הליך זה היא לדמות באופן ניסיוני התנגשויות בין אגרגטים של אבק במערכת השמש המוקדמת ולהבין את השלבים הראשונים של היווצרות כוכבי לכת. זה מושג על ידי הכנת שני אגרגטים נקבוביים המייצגים את חלקיקי האבק במערכת השמש הצעירה. השלב השני הוא הכנסת שני אגרגטי האבק לאחד ממגדלי הנפילה במעבדה, אשר הותאם ליצור התנגשות בין אגרגטי האבק בתנאי מיקרו-כבידה.

לאחר מכן, הניסוי מבוצע ומצלמות מהירות מתעדות את ההתנגשות בין שני מצברי האבק. השלב האחרון הוא ניתוח הרישום המהיר של ההתנגשות ביחס לאובדן אנרגיה, העברת מסה ופיצול של אגרגטי האבק. בסופו של דבר, תוצאות אלה משמשות לפיתוח מודלים פיזיקליים של התנגשויות מצבורי אבק במערכת השמש הצעירה, הנדרשים למידול השלבים הראשונים של היווצרות כוכבי לכת.

שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום היווצרות כוכבי לכת, כגון תוצאה של התנגשויות של אבני הבניין של כוכבי לכת. הרעיון לשיטה זו עלה לראשונה כאשר חיפשנו אמצעים לביצוע מספר רב של התנגשויות במהירות נמוכה מאוד בין אגרגטים של אבק שביר. היתרון העיקרי של טכניקה זו של שיטות קיימות כמו מתקני מיקרו-כבידה מסחריים, הוא שניתן לבצע ניסויים בתדירות גבוהה יותר והם חסכוניים במעבדה.

הדגמה חזותית של שיטה זו היא קריטית מכיוון שקשה ללמוד את שלבי הכנת הדגימה מכיוון שדגימות מוכנות אלה שבירות מאוד. כדי להתחיל, חשב את כמות החומר הנדרשת לצורה הרצויה באמצעות המשוואה הבאה. מנפים כמות מספקת של חומר דרך רשת C של 0.5 מילימטר, וממלאים את המסה המחושבת לתבנית.

לאחר מכן דחסו את החומר בתוך התבנית על ידי דחיפת בוכנה ביד עד שהדגימה הגיעה לחמישה סנטימטרים. לבסוף, הפוך את התבנית על פיה. פתח את לוחית הבסיס ודחף בעדינות את הדגימה החוצה עם הבוכנה.

עבור דגימות חלקיקים עליונים כדוריים, השתמש בחלקיק במנגנון שחרור מחרוזת. על מנת להגדיר סוג זה של שחרור, חבר את החלקיק שישוחרר למחרוזת. זה נעשה במהלך דחיסת הדגימה באמצעות בוכנה עם מעבר למיתר.

החזק את המיתר במקומו על ידי הידוק אותו בין מגנט הסולנואיד לחתיכת הנגד המתכתית המוצקה לדגימות חלקיקים תחתונים כדוריים. השתמש במנגנון שחרור דלת המלכודת. התחל בהנחת החלקיק בתבנית כדורית למחצה.

בזמן המתאים, הפעל זרם חשמלי על מגנט הסולנואיד של מנגנון השחרור העליון מכאן ואילך. הפעל זרם חשמלי כדי לסובב את דלת המלכודת כלפי מטה באמצעות סולנואיד סיבובי בעת בחינת סידורים מורכבים יותר כגון אשכולות כדורים הרכבה של שני מנגנוני שחרור דלת מלכודת זה מעל זה. לאחר טעינת שני מנגנוני דלת המלכודת, הפעל זרם חשמלי כדי לשחרר את הדגימות בזמנים הנכונים עבור דגימות גליליות.

התקן מנגנון שחרור כפול מסוג מספריים למקומו. לאחר מכן הנח בעדינות את הדגימות הגליליות על לוחות השחרור. כמו קודם, הפעל זרם חשמלי על מגנטי הסולנואיד כדי לשחרר את הדגימות.

אם דגימה תואץ במקום פשוט נפילה חופשית, השתמש במנגנון האצת חלקיקים כגון שלב ליניארי מונע אלקטרומגנטית. בעת בדיקת דגימות גליליות בשילוב עם האצת חלקיקים, השתמש במנגנון שחרור דלת מלכודת כנף כפולה. הנח את דגימת האבק הגלילית על דלת המלכודת הסגורה.

לאחר מכן פתח את דלת המלכודת על ידי הפעלת זרם חשמלי על מגנט הסולנואיד. שימו לב כיצד שבירת זרם המערבולת מונעת מהדלת לקפוץ בחזרה לתוך הדגימה כדי להשיג התנגשות במהירות נמוכה. מהירויות של 0.09 מטר לשנייה.

הנח את אחד מחלקיקי הסנטימטר האחד לתוך החלקיק על מנגנון מיתרים ואת השני חלקיק סנטימטר אחד במרחק שבעה מילימטרים במנגנון שחרור דלת המלכודת. לאחר מכן סגור את צינור זכוכית הוואקום. פתח בזהירות את השסתום למשאבות הוואקום כדי להתחיל בפינוי איטי של אוויר בצינור.

לאחר מכן, הגדר את עיכוב הזמן של מנגנוני השחרור לתשע אלפיות השנייה. המשמעות היא שתחילה ישתחרר מצבור האבק העליון ותשע אלפיות השנייה לאחר מכן החלקיק התחתון, המצלמה תשוחרר בין לבין לאחר מכן תחבר מצלמות ליחידות השחרור שלהן ותפעיל את התאורה. לאחר מכן התחל את ההקלטה הרציפה.

כאשר מגיעים לוואקום הרצוי של יותר ממיליבר אחד, לחץ על לחצן השחרור כדי להפעיל את רצף הטיימר בסיום הניסוי, הורד את רצפי התמונות שהוקלטו על ידי המצלמות המהירות למחשב. הכן שתי דגימות גליליות בקוטר וגובה של חמישה סנטימטרים להתנגשות במהירות גבוהה על ידי טעינת דגימה אחת תחילה על מנגנון שחרור דלת מלכודת הכנף הכפולה, והשנייה על מחזיק הדגימה של מאיץ השלב הליניארי. לאחר שהדגימות נמצאות במקומן, הכן את החדר כמו קודם על ידי איטום צינור הזכוכית ופתיחת שסתום הוואקום כדי להוציא אוויר מהצינור.

לאחר מכן הגדר את תזמון מנגנון השחרור ואת המאיץ הליניארי בהתאם לתנאים הרצויים. לאחר מכן, הפעל את התאורה המתאימה והתחל להקליט עם המצלמה המהירה. לאחר הגעה לוואקום הרצוי של יותר מ-0.01 מיליבר, לחץ על לחצן השחרור כדי ליזום את ההתנגשות בסיום.

הורד את רצפי התמונות שהוקלטו על ידי המצלמות כמו בעבר עבור אגרגטים בגדלים שונים. טען את הדגימה הגדולה על מנגנון שחרור, ולאחר מכן הנח את הדגימה הקטנה יותר על מחזיק הדגימה של המאיץ. תמונות מיקרוסקופ אלקטרונים אלה של חלקיקי סיליקה לא סדירים של פיזור מונו ופולי פיזור ממחישות את המאפיינים הפיזיקליים של דגימות המשמשות בניסויי מגדל הנפילה במעבדה.

ניתן ליצור אגרגטים של אבק בגדלים וצורות שונות של מדגם, כולל גלילי אבק בקוטר של סנטימטר אחד, שני סנטימטרים וחמישה סנטימטרים וכדורי אבק בקוטר של סנטימטר אחד ושני סנטימטרים. בנוסף, ניתן להשתמש באשכולות של כדורים מוארים בגודל שניים עד שלושה מילימטרים באמצעות שחזור טומוגרפיה של קרני רנטגן של המבנה הפנימי של דגימת אגרגט אבק גלילית. ניתן לראות בבירור כי דגימת נקבוביות גבוהה זו הורכבה באמצעות אגרגטים בגודל מילימטר לאבק.

הסולם האפור מציין את גורם מילוי הנפח, היחס בין צפיפות המסה של הדגימה וצפיפות החומר של חלקיקי אבק המונומר נותחו על ידי מעקב אחר מיקומי החלקיקים לאורך זמן כדי לגזור את המהירות לאחר ולפני ההתנגשות. היחס בין ערכים אלה נקרא מקדם ההשבה ומתאר את אובדן האנרגיה בהתנגשות. מקדמי ההשבה המנותחים משורטטים כנגד מהירויות ההתנגשות.

נתונים עבור אבק כדורי, אגרגטים והתנגשויות בין אגרגטים של אבק גלילי מראים מגמה של ירידה במקדם ההשבה עם הגדלת מהירות הפגיעה לאחר שליטה. ניתן לבצע טכניקה זו תוך שעה אחת אם היא מבוצעת כראוי. עבודה עם חלקיק בגודל מיקרומטר עלולה להיות מסוכנת ביותר, לכן יש לנקוט תמיד באמצעי זהירות כגון מסכות מגן, כפפות ומנדפי חולץ כאלה במהלך ההליך.