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

L'obiettivo generale di questo esperimento è quello di mostrare i meccanismi che causano l'acquisizione di una carica sufficiente per le particelle di polvere di regolite nello spazio o in condizioni di laboratorio. Questo metodo può aiutare a rispondere a una domanda chiave sul ruolo del trasporto di polvere elettrica nel modellare la superficie dei corpi senz'aria nel sistema solare. Questo metodo apre la strada a studi futuri, tra cui sia esperimenti che modelli al computer, per spiegare in ultima analisi le osservazioni spaziali esistenti e fornire una guida per le future indagini di missione.

Questo metodo dimostra come spostare le particelle di polvere in modo controllato, il che può aiutare altri ricercatori a sviluppare i propri esperimenti. A dimostrare la procedura sarà Noah Hood, uno studente universitario del nostro laboratorio. Gli esperimenti richiedono una camera a vuoto.

Questo ha un diametro di 50 centimetri e un'altezza di 28 centimetri ed è collegato a un serbatoio di argon e a un sistema di pompaggio. All'interno c'è una piastra metallica isolata elettricamente. A questo punto, prepararsi a caricare le particelle di polvere.

Usa una piastra isolante di 20 centimetri di diametro e due centimetri di spessore e posiziona sopra di essa un foglio di gomma isolante con un foro centrale. Quindi, caricare le particelle di polvere isolanti di forma irregolare nel foro. Spostare la piastra isolante nella camera a vuoto.

Lì, posizionalo sulla piastra metallica all'interno. Quindi, configura una videocamera per registrare il movimento della polvere. Per l'illuminazione, utilizzare una luce LED equivalente ad almeno una sorgente a incandescenza da 500 watt.

Questa immagine è delle particelle di polvere prima che i raggi abbiano interagito con esse. Questo esperimento a fascio di elettroni richiede due filamenti. Come in questo esempio, installare un filamento di tungsteno toriato su ciascuno dei due passanti per elettrodi.

Installare uno dei passanti sulla parte superiore della camera a vuoto. Collegare questo filamento agli alimentatori del filamento. Quindi, installare il secondo passante con un filamento sul fondo della camera.

Continuare pompando la camera alla pressione di base desiderata. Quindi, utilizzare l'alimentazione di gas argon per riempire la camera a circa mezzo millitorr. Quando sei pronto, accendi gli alimentatori del filamento e imposta la tensione di polarizzazione su 120 volt negativi.

Accendi la fotocamera per registrare. Sull'alimentazione, aumentare la tensione di riscaldamento. Fermarsi quando la corrente di emissione è di pochi milliampere.

Registrare la risposta delle particelle di polvere. Esponi due elettroni energetici e termici che iniziano a muoversi. Spegnere gli alimentatori del filamento e collegarli al filamento inferiore.

Con gli alimentatori accesi, impostare la tensione di polarizzazione su un valore negativo di 40 volt. Aumentare la tensione di riscaldamento per raggiungere una corrente di emissione superiore a 200 milliampere. Registra il movimento delle particelle di polvere.

Esposti solo agli elettroni termici, non si muovono. Iniziare con la camera a vuoto con il fondo sigillato. Far caricare le particelle di polvere sulla piastra isolante supportata dalla piastra metallica.

Utilizzare un solo passante. Installare un filamento di tungsteno toriato su di esso. Installare il passante sulla parte superiore della camera e collegare gli alimentatori del filamento.

Nella prima sequenza, impostare la tensione di polarizzazione su 120 volt negativi. Quindi, aumentare la tensione di riscaldamento. Fermarsi quando la corrente di emissione è di pochi milliampere.

Registrare la risposta delle particelle di polvere nella camera. In questo caso, si muovono. La seconda sequenza utilizza la stessa configurazione della prima.

Nella seconda sequenza, impostare la tensione di polarizzazione su zero. Aumentare la tensione di riscaldamento fino a raggiungere una corrente di riscaldamento di circa due ampere. Quindi, modificare gradualmente la tensione di polarizzazione da zero a 120 volt negativi.

Registrare la risposta delle particelle di polvere nella camera. In questo caso, non si muovono. Per questo esperimento, rimuovere il passaggio dell'elettrodo dalla camera.

Installare una lampada UV a 172 nanometri sul passante. Reinstallare il passante e collegare l'alimentazione della lampada. Con la camera alla pressione di base, accendere la lampada per irradiare le particelle di polvere.

Registrare la risposta delle particelle in queste condizioni. In questo esperimento, particelle di polvere da 10 a 50 micrometri di diametro sono esposte al plasma e elettroni a fascio di 120 elettronvolt. Nessuna particella viene sollevata quando il fascio di elettroni è assente.

Ciò è coerente con gli elettroni secondari che contribuiscono alla carica di polvere. Le particelle loft sono indotte da un fascio di elettroni creato impostando prima una tensione di polarizzazione e poi aumentando la tensione di riscaldamento, un processo che crea elettroni secondari. Al contrario, non si osserva alcun movimento della polvere quando la tensione di riscaldamento viene impostata per la prima volta, seguita dall'aumento della tensione di polarizzazione, un processo senza elettroni secondari.

Le particelle di polvere esposte alla lampada UV a 172 nanometri mostrano un salto di polvere come indicato in questa foto. Quando la polvere viene esposta ai raggi UV per un tempo prolungato, la superficie della polvere cambia. Questo viene catturato in una serie di foto in cui la superficie diventa più liscia e alla fine si appiattisce.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come spostare le particelle di polvere in modo controllato. Il punto chiave è quello di creare elettroni completi e/o elettroni secondari da superfici polverose. Sulla base di questi metodi, è possibile sviluppare nuovi esperimenti, nonché la modellazione al computer, per classificare meglio la natura del carico e del trasporto delle polveri.

Questa tecnica apre la strada ai ricercatori nel campo delle scienze spaziali e planetarie, così come ai plasmi polverosi, per esplorare il ruolo del trasporto elettrostatico di polvere nel trattamento superficiale su corpi planetari senz'aria e su un ambiente di polvere vicino alla superficie intorno a questi corpi. Non dimenticare di indossare i guanti quando si maneggiano fili di tungsteno toriato a causa della bassa radioattività del torio. Inoltre, coprire le finestre della camera a vuoto per evitare ogni possibile esposizione ai raggi UV.