Articolo metodologico

Metodi sperimentali di polvere carica e mobilitazione sulle superfici con l'esposizione a radiazione ultravioletta o plasmi

DOI:

10.3791/57072

⸱

3 aprile 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, 2NASA/SSERVI's Institute for Modeling Plasma, Atmospheres and Cosmic Dust

In questo articolo

Sommario

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ricarica di polvere e di mobilitazione è dimostrata in tre esperimenti con l'esposizione al plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazione ultravioletta (UV) solo. Questi esperimenti presentano la conoscenza avanzata di trasporto di polvere elettrostatica e il suo ruolo nel modellare le superfici di corpi planetari airless.

Abstract

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Trasporto di polvere elettrostatica è stata supposta per spiegare una serie di osservazioni di insoliti fenomeni planetari. Qui, è dimostrato utilizzando tre recentemente sviluppato esperimenti in cui polvere particelle sono esposti a plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazione ultravioletta (UV) solo. La sorgente di luce UV ha una larghezza di banda stretta di lunghezza d'onda centrato a 172 nm. I fasci di elettroni con energia di 120 eV vengono creati con un filamento caldo negativamente polarizzato. Quando la camera a vuoto viene riempita con il gas argon, viene creato un plasma termico oltre il fascio di elettroni. Particelle di polvere isolante di poche decine di micron di diametro vengono utilizzate negli esperimenti. Le particelle di polvere vengono registrate per essere con soppalco per un'altezza fino a pochi centimetri con una velocità di lancio fino a 1 m/s. Questi esperimenti dimostrano che la emissione di foto e/o elettroni secondari da una superficie polverosa cambia il meccanismo di tariffazione delle particelle di polvere. Secondo il recentemente sviluppati "patchato modello addebito", gli elettroni emessi possono essere ri-assorbiti all'interno di microcavità tra vicini particelle di polvere sotto la superficie, causando l'accumulo di cariche negative avanzate sulla polvere circostante particelle. Le forze repulsive tra questi negativamente le particelle possono essere abbastanza grandi per mobilitare e sollevarli dalla superficie. Questi esperimenti presentano la conoscenza avanzata di polvere di carico e trasporto su superfici polverose e gettato le basi per le indagini future del suo ruolo nell'evoluzione superficie di corpi planetari airless.

Introduzione

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Airless corpi planetari, come la luna e gli asteroidi, sono ricoperte di particelle di polveri sottili chiamate regolite. Questi corpi senz'aria, a differenza di terra, sono direttamente esposti al plasma del vento solare e radiazione ultravioletta solare (UV), causando la polvere di regolite da imputare. Questi caricati di particelle di polvere possono pertanto essere mobilitate, con soppalco, trasportate, o anche espulso e perso dalla superficie a causa di forze elettrostatiche. Il primo ha suggerito la prova di questo processo elettrostatico era il cosiddetto "orizzonte lunare bagliore", un bagliore sopra l'orizzonte occidentale osservato poco dopo il tramonto dalla sonda Surveyor 5, 6 e 7 cinque decenni fa (Figura 1a)1, 2,3. È stato ipotizzato che questo bagliore è stato causato dalla luce del sole sparsi fuori dalle particelle di polvere elettrostaticamente con Loft (raggio 5 μm) ad un'altezza di < 1 m sopra la superficie vicino al terminatore lunare1,2,3. Elettrostaticamente rilasciato polveri sottili è stato anche suggerito di essere responsabile per i bagliori di ray-come raggiungere un'elevata altitudine segnalata il4,di astronauti Apollo5.

Sin da quando queste osservazioni di Apollo, un numero di osservazioni sopra altri corpi senz'aria era inoltre collegati ai meccanismi della mobilitazione di polvere elettrostatica o lofting, quali i raggi radiali nel Saturno anelli6,7, 8, i laghetti di polvere sull'asteroide Eros (Figura 1b)9 e cometa 67P10, le superfici porose indicato dalla fascia principale degli asteroidi spettri11, insolitamente liscia superficie di Saturno ghiacciata Luna Atlas12e la regolite al lunar turbinii13. Inoltre, la degradazione dei catadiottri laser sulla superficie lunare può essere causata anche dall'accumulo di polvere elettrostaticamente con loft14.

Studi di laboratorio sono stati in gran parte motivati da queste osservazioni insolito spazio al fine di comprendere i processi fisici della carica di polvere e di trasporto. Mobilitazione di polvere è stato osservato in varie condizioni di plasma, in cui le particelle di polvere sono capannone fuori da un vetro sfera superficie15,16, levitare in plasma guaine17e registrata per spostare su entrambi conducendo e isolanti superfici18,19,20,21. Tuttavia, come particelle di polvere guadagno abbastanza grandi spese da Loft o mobilitato rimasta capita male. Le misurazioni delle accuse su particelle di polvere individuali su una superficie liscia22 e la densità di carica media su una superficie polverosa23 immersi in plasmi mostrano che le accuse sono troppo piccole per le particelle di polvere con soppalco o mobilitato.

Nelle teorie precedenti16,24,25, la ricarica è stata considerata soltanto si verificano sullo strato superficiale superiore che è direttamente esposto a UV o al plasma. Spese sono spesso considerate per essere distribuito uniformemente su tutta la superficie polverosa, vale a dire., ogni particella di polvere individuali acquisisce la stessa quantità di carica, descritto dai cosiddetti "carica modello condiviso"16. Tuttavia, le spese calcolate da questo modello sono molto più piccole rispetto alla forza gravitazionale da solo. Una teoria di fluttuazione di carica che rappresenta il processo stocastico dei flussi di elettroni e ioni al superficie16,24 Mostra un aumento temporale la forza elettrostatica, ma rimane piccolo in confronto alla forza gravitazionale.

In questa carta, polvere elettrostatica Loft e mobilitazione è dimostrato utilizzando tre recentemente sviluppato esperimenti26, che sono importanti per comprendere il trasporto di polvere sulla regolite di corpi planetari airless. Questi esperimenti sono eseguiti in condizioni di plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazioni UV solo. Questi esperimenti dimostrano la validità del sviluppato di recente "patchato modello addebito"26,27, in cui microcavità formata tra vicini di particelle di polvere sotto la superficie ri-può assorbire l'immagine emessa e/o gli elettroni secondari, generando grande negativo oneri sulle superfici delle particelle di polvere vicine. Le forze repulsive tra queste cariche negative possono diventare abbastanza grandi per mobilitare o sollevare le particelle di polvere.

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Protocollo

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1. installazione sottovuoto

  1. Posizionare un foglio di gomma isolante (spessore 0,2 cm, 5 cm di diametro) con un foro centrale 1,9 cm di diametro su una piastra isolante (spessore 2 cm e 20 cm di diametro) (Figura 2a, b). Particelle di polvere isolante, forma irregolare (tra 10 e 50 μm di diametro) nel foro di carico.
  2. Posizionare la piastra isolante su una condizione di piastra metallica nel mezzo di una camera a vuoto. Isolare elettricamente la piastra metallica dalla camera utilizzando distanziatori in ceramica.
  3. Accendere le pompe del vuoto (una pompa turbo sostenuta da una pompa di sgrossatura meccanica) per raggiungere la pressione di base di ~ 10-6 Torr. Gli esperimenti che dimostrano sono effettuati in una camera cilindrica in acciaio inox vuoto, 50 cm di diametro e 28 cm di altezza (Figura 2C).
  4. Registrare il movimento di polvere e loft con una videocamera a una velocità normale di 30 fps (fps) o una macchina fotografica ad alta velocità (> 2000 fps). Utilizzare una luce LED con la massima illuminazione equivalente a > 500W incandesce luce per produrre sufficiente illuminazione sulle particelle di polvere per la registrazione video di buona qualità.
    Nota: Utilizzando la gomma è a causa del suo colore scuro che riduce al minimo la riflessione della luce per la fotocamera. Le particelle di polvere di colore chiaro devono essere utilizzate per fotografare meglio grazie al contrasto di colore per la superficie di gomma scura. La spessa piastra isolante viene utilizzata per eliminare l'effetto del campo elettrico tra la superficie della piastra isolante e placca di metallo sulla polvere ricarica e mobilitazione. In questa dimostrazione, Mars simulante (JSC-Mars-1, ha setacciato il diametro medio di 38-48 μm, densità di massa di 1,9 g/cm-3 e composizione principale di SiO2 28) sono stati utilizzati, che ricorda la polvere di regolite generale dei corpi senz'aria nell'interno sistema solare. Sono stati testati anche vari altri tipi di isolanti di particelle di polvere, come simulante lunare (JSC-1), simulante lunare highland (LHT) e polvere di silice puro.

2. esposizione al plasma termico con fasci di elettroni

  1. Allegare un filamento di tungsteno toriato (0,1 mm di spessore e ~ 3 cm di lunghezza) a un passante di elettrodo e installarlo nella parte superiore della camera. Quindi pompa della camera alla pressione di base.
  2. Riempire la camera a vuoto con gas argon alla pressione del ~ 0,5 mTorr.
  3. Attivare gli alimentatori e impostare la tensione di polarizzazione -120 V per il filamento.
  4. Aumentare la tensione di riscaldamento per la corrente di riscaldamento ~ 2A fino a quando l'emissione corrente raggiunge un valore desiderato (mA pochi). Elettroni energetici con l'energia di 120 eV saranno emessa dal filamento.
    Nota: Questi elettroni primari di fascio-come impatto atomi di argon neutro, causando loro di essere ionizzato e la creazione di un plasma con una temperatura di elettrone circa 2 eV. Una grande frazione degli elettroni del fascio primario raggiunge direttamente la superficie polverosa senza collisioni con gli atomi neutri. Le particelle di polvere sono quindi esposti a entrambi gli elettroni del plasma e fascio termici.
  5. Per mostrare il ruolo degli elettroni del fascio energetico nel trasporto di polvere, utilizzare un'operazione alternativa di creare un plasma termico sopra le particelle di polvere.
    1. Accendere un filamento alternativo nella parte inferiore dell'alloggiamento con la tensione di polarizzazione -40 V ed emissione corrente fino a 400 mA (Figura 2a). I primari elettroni emessi dal filamento saranno fermati dalla piastra metallica sotto la piastra offensiva in cui le particelle di polvere riposano (Figura 2a, b).
    2. Variare l'emissione corrente per modificare il campo elettrico sopra la superficie. Alta densità di plasma, più sottile guaina e così più grande campo elettrico crea maggiore corrente.

3. l'esposizione al raggio di elettroni solo

  1. L'esperimento di installazione come descritto nell'esperimento precedente utilizzando il filamento superiore.
  2. Accendere il filamento superiore sotto la pressione di base 10-6 Torr (cioè., nessun gas argon alimentati in aula). No al plasma viene creato mentre solo gli elettroni del fascio di 120 eV emessa dal filamento bombarda le particelle di polvere.
  3. Operare il filamento in due diverse modalità.
    1. Impostare la tensione di polarizzazione -120 V, quindi aumentare la tensione di riscaldamento fino a quando l'emissione corrente raggiunge pochi mA.
    2. Aumentare la tensione di riscaldamento per raggiungere una corrente di riscaldamento desiderata ~ 2 A, quindi aumentare la tensione di polarizzazione da 0 V gradualmente a -120 V per emettere gli elettroni con una corrente di emissione di pochi mA.

4. l'esposizione ai raggi UV solo

  1. Sostituire il filamento superiore con una pompa giù la camera per la pressione di base e lampada UV (Figura 2b). Utilizzare una lampada di Osram xenon ad eccimeri, che emette la luce di lunghezza d'onda di 172 nm UV. L'energia del fotone corrispondente è 7,2 eV, più grande rispetto alla funzione di lavoro della superficie polvere (~ 5,5 eV) al fine di emettere fotoelettroni.
    Nota: Lunghezza d'onda UV che irradia fotoni ad alta energia è previsto per creare ulteriori oneri per le particelle di polvere e di conseguenza più mobilitazione, basato sul patch carica modello26,27.
  2. Accendere la lampada UV per irradiare le particelle di polvere. Nella dimostrazione, l'irraggiamento di fotoni è 40 mW/cm-2 alla sorgente UV e ~ 16 mW/cm-2 presso la superficie polverosa.

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Risultati

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Una serie di esperimenti sono stati eseguiti utilizzando i filamenti superiore o inferiore. Con l'installazione di filamento superiore, l'hopping delle particelle di polvere è stato registrato (Figura 3a). Al contrario, le particelle di polvere è rimasto a riposo quando si utilizza il filamento di fondo. È stato misurato che il campo elettrico verticale sulla superficie era circa stesso (16 V/cm) in entrambi gli esperimenti nelle condizioni descritte nel prot...

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Discussione

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Per decenni, il problema del trasporto di polvere elettrostatica sulla regolite dei corpi airless è rimasta una domanda aperta come particelle di polvere di regolite guadagno sufficientemente grandi spese per diventare mobilitato o loft. 26,recenti studi di laboratorio27 fondamentalmente hanno avanzato la comprensione di questo problema.

Qui, è dimostrati tre esperimenti recentemente sviluppati per mostrare la carica di polvere e di mo...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato supportato dall'Istituto di NASA/SSERVI per la modellazione del Plasma, atmosfere e polvere cosmica (impatto) e dal programma NASA Solar Systems lavorazioni (concessione numero: NNX16AO81G).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Camera a vuotoQualsiasiNA
Passante per elettrodi a vuotoLeskerEFT0113053
Filamento di tungsteno (spessore 0,1 mm)GoodfellowW055250Alimentatore toriato
#1 (0-8V, 3A)AgilentE3610AO equivalente
Alimentatore #2 (0-140V, 0,5A)AgilentE3612AO equivalente
Lampada UVOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVO
equivalente Campione di polvereQualsiasisimulante marziano o lunare o altri tipiDi forma irregolare, setacciata, isolante
Piastra isolanteQualsiasiNASpessore > 1 cm Foglio di
gommaQualsiasiNASpessore > 1 mm
Piastra metallicaQualsiasiNA
Supporti in ceramicaMcMaster94335A1301/2" diametro
Videocamera (consumer)PanasonicHC-VX870O equivalente
Videocamera (ad alta velocità)PhantomV2512> 1000 fps
Lampada LEDQualsiasiNA500W Tungsteno Equivalente
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Riferimenti

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