方法論記事

ほこりの充電と紫外放射またはプラズマへの露出表面上動員の実験方法

DOI：

10.3791/57072

⸱

2018年4月3日

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

この記事について

サマリー

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ほこりの充電と動員は、電子ビーム、ビーム電子のみ、または紫外 (紫外線) 放射のみを熱プラズマへの露出で 3 つの実験で示されます。これらの実験は、静電ダスト輸送の高度な理解とエアレスの惑星ボディの表面を形作る上でその役割を紹介します。

要約

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静電ダスト輸送に異常な惑星現象の観察の数を説明する仮定されたが。ここでは、最近 3 を使用して開発の切り粉の粒子は電子ビーム、ビーム電子のみ、または紫外 (紫外線) 放射のみを熱プラズマにさらされている実験を示した。UV 光源は、172 を中心とした波長狭帯域 nm。120 eV のエネルギーを持つビーム電子は負バイアスのホット フィラメントで作成されます。ところてんはアルゴンのガス満ちている、電子ビームに加え熱プラズマが作成されます。数十ミクロン径の絶縁のダスト粒子は、実験で使用されます。ダスト粒子は、最大 1 m/秒の起動速度と数センチまでの高さにロフトに記録されます。これらの実験は、ダスト粒子の帯電機構を表面からほこりの多い写真や二次電子の放出に変化を示しています。最近開発された「パッチ電荷モデル」、によると周辺のほこりに強化された負電荷の蓄積引き起こす表面の下の近隣のダスト粒子間微小共振器中励起された電子を再吸収できる粒子。この間斥力の荷電粒子を動員し、表面を離れてそれらを持ち上げるのに十分な大きさがあります。これらの実験は挨りだらけの表面にほこり充電と輸送の高度な理解を示しエアレスの惑星ボディの表面の進化におけるその役割の将来の調査の基礎を築いた。

概要

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月や小惑星などの風通しの悪い天体は、レゴリスと呼ばれる微細な塵埃粒子で覆われています。地球とは異なり、これらの風通しの悪い体は、太陽風プラズマと太陽紫外 (紫外線) 放射、課金にレゴリスのほこりの原因に直接公開されます。これらのダスト粒子がありますしたがってする動員、ロフト、輸送、あるいは排出し、静電気力により表面から失われた満たされました。最初、いわゆるこの静電プロセスの証拠が示唆「月の地平線の輝き」、日没直後後の 5、6、および 7 の測量衛星によって観測された 5 年前 (図 1 a) 西の地平線の上の明瞭な白熱1、 2,3。この輝きが散乱を静電ロフトのダスト粒子 (5 μ m の半径) < 月面ターミネーター1,2,3近く表面上 1 m の高さに日光によって引き起こされたえられています。アポロ宇宙飛行士4,5によって報告された高度に達する線のような鯉のぼりを担当する静電リリースされた微細な塵埃が示唆されました。

以来これらのアポロ観測他風通しの悪い体の上の観測数も静電ほこり動員の機構にリンクまたはロフティング、土星の放射状のスポークなどは、6、7,リングします。8、小惑星エロス (図 1 b)9塵池および彗星 67 P10、11の主要なベルトの小惑星のスペクトルから示された多孔性の表面の土星の氷の非常に滑らかな表面月アトラス12と月面まんじ13レゴリス。さらに、静電ロフトほこり14の蓄積によって月表面のレーザーの再帰性反射物の劣化も発生可能性があります。

実験室調査主動機になっているほこり充電の物理的なプロセスを理解し、輸送するためにこれらの異常な空間の観察によって。ほこりの動員は、ガラス球表面15,16、プラズマ シース17で浮上し、導電性と絶縁の両方で移動する記録からのダスト粒子の流した様々 なプラズマ条件で観察されています。表面18,19,20,21。しかし、ダスト粒子がロフトや動員に十分な大きさの料金を得る方法のままかり。料金ロフトする動員ダスト微粒子のためあまり小さい滑らかな表面22個々 のダスト粒子とプラズマに浸漬23のほこりの多い表面の平均電荷密度の充満の測定を示します。

事前理論16,24,25の充電のみと考えられていた UV やプラズマに直接さらされているトップの表面層に発生します。料金は頻繁に全体のほこりだらけの表面、すなわち上に均一に分布すると考慮します。、それぞれ個々 のダスト粒子が担当、いわゆる"電荷モデルを共有"16によって記述されるのと同じ量を取得。ただし、このモデルから計算された料金は単独で重力の力よりはるかに小さいです。電子とイオン表面16,24のフラックスの確率過程は、静電気の力で一時的な強化を示していますが、それは比較して小さいままのアカウント料金変動理論、重力。

本稿で静電ほこりロフティングと動員は最近 3 を使用して開発実験26、エアレスの惑星ボディのレゴリスにダスト輸送を理解するために重要である示されています。これらの実験は、電子ビーム、ビーム電子のみ紫外線のみに熱プラズマの条件で実行されます。これらの実験は、最近開発された「パッチ電荷モデル」26,27の有効性を示す、どの微小共振器形成の間に近隣の表面の下のダスト粒子再吸収できる出力された写真や大規模な生成する二次電子は負隣接のダスト粒子の表面電荷です。これらの負電荷の間の冷淡な力を動員したり、ほこりの粒子を持ち上げるのに十分な大きさになることができます。

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プロトコル

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1. 真空チャンバのセットアップ

  1. (厚さ 2 cm と直径 20 cm) の絶縁板に直径 1.9 cm 孔を有する断熱ゴム シート (厚さ 0.2 cm、直径 5 cm) を配置 (図 2 ab)。(直径 10 〜 50 μ m) の間の穴に絶縁性、不規則な形のダスト粒子をロードします。
  2. 真空チャンバーの真ん中に金属板立って上絶縁板を配置します。電気セラミック スペーサーを用いた室から金属板を分離します。
  3. 真空ポンプ (に裏打ちされた機械的粗引き真空ポンプ ターボ ポンプ) オンの基本圧力に到達する 〜 10-6 Torr。実証実験は、円筒形ステンレス製真空チャンバー、直径 50 cm 高さ 28 cm (図 2 c) で実行されます。
  4. 塵の動きと 30 フレーム/秒 (fps) の通常の速度や高速 (> 2000 fps) カメラでビデオカメラでロフトを記録します。LED ライトを使用し最大照度に相当 > 500 w incandesce 光を良い品質のビデオ録画のダスト粒子に十分な照明を作り出します。
    注: は、ゴムを使用してカメラに光の反射を最小限に抑える、暗い色のためです。明るい色のダスト粒子は暗いゴム表面に色のコントラストのためのより良い撮影のために使わなければなりません。絶縁板厚は、充電ほこりや動員に絶縁板の表面と金属板との間の電場の影響を排除するために使用されます。このデモで火星持ち帰り (JSC-火星-1、38-48 μ m の平均直径、1.9 g/cm-3の質量密度と SiO2 28の主要な組成にふるわれた) 使用された、内側の風通しの悪い体の一般的なレゴリスほこりに類似します。ソーラー システム。その他各種絶縁のダスト粒子のまた、月面模擬 (JSC-1)、月面模擬ハイランド (LHT) 純粋なシリカ粉塵など、テストされました。

2. ビーム電子熱プラズマへの暴露

  1. トリエーテッド タングステン フィラメントを添付 (0.1 mm 厚と 〜 3 cm) 電極フィードスルーに商工会議所の上にそれをインストール。その後、ポンプ基本圧力まで商工会議所。
  2. アルゴンのガスの圧力と真空チャンバー 〜 0.5 mTorr。
  3. 電源をオンにし、フィラメント-120 V バイアス電圧を設定します。
  4. 現在の加熱ヒーター電圧を高める 〜 現在の排出目的の値 (数 mA) に達するまでは 2 a。120 eV のエネルギーを持つ電子はフィラメントから放出されます。
    注: これらのビームのような主要な電子中立アルゴン原子、イオン化させるとプラズマの電子温度約 2 eV と作成に影響を与えます。主ビーム電子の大部分直接中性原子との衝突することがなくほこりだらけの表面に達する。ダスト粒子は、したがって熱プラズマ ・ ビームの両方の電子にさらされています。
  5. ダスト輸送でエネルギッシュなビーム電子の役割を表示するには、上のダスト粒子の熱プラズマを作成する代替操作を使用します。
    1. オン バイアス電圧とチャンバーの底に代替フィラメント-40 V と排出量 400 最大電流 mA (図 2 a)。フィラメントから放出される主な電子は、(図 2 a、b) ダスト粒子が残り、侮辱的なプレートの下の金属板によって停止されます。
    2. 表面上電気フィールドを変更する現在の排出量が異なります。高い流れは、プラズマ密度が高い、薄い鞘、従って大きい電界を作成します。

3. のみ電子ビーム露出

  1. トップのフィラメントを使用して上記の実験で説明されているように、実験をセットアップします。
  2. 基本圧力 10-6 Torr 下トップのフィラメントをオンに (すなわち。、商工会議所のアルゴンガス供給なし)。のみ 120 eV のビームの電子放出フィラメント攻めからダスト粒子間、プラズマは作成されません。
  3. 2 つの異なるモードでフィラメントを動作します。
    1. バイアス電圧を-120 V に設定し、放出電流は数 mA に達するまで加熱電圧を増やします。
    2. 現在必要な暖房に到達するヒーター電圧を高める 〜 2 A、数 mA の放出電流と電子を放出する-120 V 徐々 に 0 V からバイアス電圧を増やして。

4. 紫外線のみに露出

  1. UV ランプ (図 2 b) と基本圧力チャンバーをポンプ上のフィラメントを交換してください。波長 172 nm の紫外線を発するキセノン エキシマ オスラム ランプを使用します。対応する光子エネルギーは 7.2 eV、塵表面の仕事関数よりも大きい (~ 5.5 eV) 光電子を放出するために。
    注: 短い波長の高エネルギー光子を放射する紫外線は、ダスト粒子したがってより多く動員は、パッチを適用した電荷モデル26,27に基づいてより多くの費用を作成する予定です。
  2. ダスト粒子を放射する紫外線ランプを点灯します。デモンストレーションでは、光子放射照度は 40 mW/cm-2 UV ソースでと 〜 16 mW/cm-2挨りだらけの表面で。

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結果

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上部または下部のフィラメントを使用して、一連の実験を行った。トップのフィラメントのセットアップでは、ダスト粒子のホッピング記録された (図 3 a)。対照的に、下部フィラメントを使用する場合、ダスト粒子は残りの部分にとどまっています。それは、表面に垂直電界では、両方の実験プロトコル手順 226に記載されている条件の下での同じ (16 V/cm) 測定されています。これらの結果は、シース電場による静電力がダスト粒子を動員するのに十分な大きさを指定します。これらの 2 つの実験の唯一の違いは (トップのフィラメントを使用して) 有無 (下部フィラメントを使用して) ビーム電子面を砲撃します。

ほこりと外側の王らによるゴム表面の電位。26元気ビーム電子プラズマ中の電子が止まるが最小化中の...

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ディスカッション

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何十年も風通しの悪い体のレゴリスに静電ダスト輸送問題レゴリス ダスト粒子が動員になるか、ロフトに十分大きい料金を得るか未解決の問題に残った。最近研究室研究26,27は根本的にこの問題の理解を進めてきた。

ここでは、電子ビーム、ビーム電子のみ紫外線のみに熱プラズマによるほこりの充電と動員を表示する示された 3 つの最近開発された実験です。これらの実験で重要な要素は、二次電子やほこりの表面から放出される光電子を作成することです。以前作品26のように、挨りだらけの表面下微小共振器中の再吸収によるほこりの粒子で強化された主負電荷にこれらの放出電子がつながる可能性が高いです。詳細なメカニズム、最近開発された、正常に検証」パッチ電荷モデル" 26,27と説明しています。

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開示事項

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著者が明らかに何もありません。

謝辞

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この作品は、プラズマのモデリング、大気、宇宙の塵 (インパクト) NASA/SSERVI の研究所、NASA の太陽光発電システムの仕組みのプログラムにサポートされていた (許可番号: NNX16AO81G)。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
真空チャンバー任意のNA
真空電極フィードスルーLeskerEFT0113053
タングステンフィラメント (厚さ0.1mm)GoodfellowW055250Thoriated
電源 #1 (0-8V, 3A)AgilentE3610Aまたは同等の
電源 #2 (0-140V, 0.5A)AgilentE3612Aまたは同等品
UVランプオスラムXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVまたは同等の
ダストサンプル火星や月の類似石、その他のタイプ不規則な形状、ふるい分け、絶縁
性 絶縁板NAなしNA> 1cm
厚 ゴムシートNA選> 1mm
金属板NA選べ
セラミックスタンドマクマスター94335A1301/2 "直径
カメラ(消費者)パナソニックHC-VX870または同等の
ビデオカメラ(高速)ファントムV2512>1000 fps
LEDランプ任意のNA500Wタングステン相当
べばビデオ>

参考文献

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