Name: 原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: 学ぶ研究室ドロップタワーを用いたダスト凝集衝突の実験的シミュレーション手法。微重力環境で原始太陽系の惑星形成初期段階を再現し、エネルギー損失や破砕過程を高速度カメラで解析する。

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著者は、私たちの研究室活動に対する継続的な支援に対して、ドイツドイツ研究センター(DLR)、ドイツ研究振興協会(DFG)、ブラウンシュヴァイク工科大学に感謝します。低速ドロップタワーはDLRグラント50WM0936の下で設立され、高速ドロップタワーはDFGグラントINST 186/959-1の下でCRC 963「天体物理学的流れの不安定性と乱流」の一部として開発されました。

注意：対応する安全性データシートに記載されています使用される粒子の有害性に応じて、口の保護と安全装置が埃で作業者が着用する必要があります。また、周囲の空気のダストフリーを維持するために吸引システムを使用することを推奨します。 CMサイズのダスト集計サンプルの1。準備<ol><li> mで必要な材料の量を計算=Φρmは質量であり、必要なV 0、Φは、（= 1体積充填率-多孔性）は、所望の体積充填率であり、ρ0は材料密度であり、Vは体積であるサンプルの。不規則なケイ酸塩粉77gのは、（ρ0 = 2.6グラム/ cm 3の） は 、それぞれ、直径5cm、高さの円筒状の試料について、70％の試料の空隙率（体積充填率= 0.3）を達成するのに必要とされる。 注：地上ナンプラーの形成を主にケイ酸塩で構成 - - センチサイズの多孔体へのネットは、マイクロメートルサイズのダストの凝集から始まります。よく研究し、適切な実験室のアナログ素材（ 表を参照の理論モデルにより良い比較のための単分散球状粒子の形でだけでなく、0.5〜10μmの範囲のサイズ分布を有する不定形粉末として提供されていたSiO 2であり、 1および図1）。 </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO 2系モノマー粒タイプ</td><td style="width:96px;">メーカー</td><td style="width:119px;">粒径</td><td style="width:95px;">粒子の形</td><td style="width:100px;">例図</td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;">単分散の</td><td> Micromod </td><td> 1.52±0.06＆＃181;メートル</td><td>球状</td><td> 図1（左） </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;">多分散系の</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> 0.1から10ミクロン</td><td>不規則な</td><td> 図1（右） </td></tr></tbody></table> 表1。ダスト凝集体の衝突実験で使用したSiO 2粒子の特性。 <img alt="図1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> 図1電子顕微鏡検査単分散の画像（左）と多分散（右）はSiO巨視的ダスト凝集体の製造に使用される2粒子。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <ol開始= &quot;2&quot;&gt; <li>ミクロンサイズのSiO 2粒子を有する容器（ 表1を参照）を取り、0.5mmのメッシュサイズの篩上にその内容を注ぐ。十分な量の材料をふるいにかけると金型に計算された質量を埋める。試料の高さに到達するまで手でピストンを押し込むことにより、金型内で材料を圧縮する（ 例えば 5cm）に。 、ピストンにカビ好転ベースプレートを開き、ゆっくりとサンプルを押し出す。 注：サンプルは、いくつかの形状（球形及び円筒形）で製造することができ、サイズ（10個cmの1mm）の気孔率及び（60mL 85％）とすることが好ましい（ 図3参照）。次に、試料を衝突実験で、個々に使用したり、他の凝集体またはクラスターと衝突クラスタにまとめることができます。 </li></ol><img alt="図2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 図2の写真防塵集計サンプルサイズと形状の変化、次のサンプルが示されています。1cmから直径2cm（中央列）で1cmの2センチメートル、および直径5cm（後列）、ダスト球でダストシリンダー、および2〜3ミリメートルサイズの Al 2 O 3球（フロント）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <ol start="3"><li>多孔性および均一性に関してサンプルを特徴付ける。サンプルは外で許可されたマージンを落ちた場合は、新しいサンプルを生成。 <ol><li>ダスト試料の空隙率を決定するために、精密なバランスによって、その寸法とその質量を測定することによりその体積を決定する。 </li><li>均質性と作成した試料の細孔径分布に関する情報を得るために、X線断層撮影（XRT）12を使用してください。 注：5センチメートルサイズのダストの凝集体のために、我々は事実上の充填平均容積からの逸脱を発見rは、試料の質量密度の比は、試料の体積の大部分中にわずか約1％のモノマーダスト粒子、及び最大による体積充填率の増加がわずかに大きいの材料密度、すなわち外側の境界12に向けて8パーセント。 図3は、直径5cmと5cmの高さの円筒状のダスト集約からカットのXRT再構成を示しています。私たちは、それぞれの塵の集計のためにXRTを使用するが、ランダムなサンプルの内部構造と均一性を調べていない。 </li></ol></li></ol><img alt="図3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 図3。5cmの高さおよびXRT分析後の直径5cmの円筒形防塵集計サンプルの内部構造の再構築。グレースケールがTの質量密度の比で体積充填率を示し、彼はサンプリングし、モノマー塵粒の材料密度。 XRTの復興から、この高気孔率のサンプルは、MMサイズのダストの凝集体を用いて組み立てたことがはっきりと見える。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> 2。原理ドロップタワーのセットアップ<ol><li>解放機構： 落下塔の上部に2つの剥離機構は一方が他方の上に取り付けられている。それらの各々は、サンプルを保持し、自由落下にそれを解放します。アッパーのリリースと下位粒子間の時間差は、衝突の相対速度を決定します。形態および粒子の形状に応じて、適切な放出機構が選択される。粒子加速機構が使用される場合は、1つの解放機構が必要となる。 <ol><li>粒子·オン·ア·ストリングの解放機構（球状サンプル、UPPER粒子）： この解放機構は、リニアソレノイド磁石と固体金属相手方部片からなる。 <ol><li>文字列中に放出される粒子を取り付けます。ソレノイド磁石と固体金属カウンターピースの間にクランプすることにより所定の位置に文字列を保持します。 </li><li> （ 動画1を参照）、粒子を解放するソレノイド磁石に電流を印加してください。 </li></ol></li><li>トラップドアの解放機構（球状のサンプル、低粒子）： この解放機構は、粒子ホルダが取り付けられたロータリーソレノイド磁石で構成されている。 <ol><li>電流を印加したときの回転ソレノイドによって下方に回転さ半球状の金型、（ 動画1を参照）に粒子を配置します。 </li><li>この機構はまた、粒子クラスターまたは凝集塊の放出のために使用することができる。この後者の場合には、（ 映画2参照）は、互いに上記の二つのトラップドア解除機構を取り付ける。 </li></oL&gt; </li><li>はさみ型の二重の解放機構（円筒状のサンプル）： この解放機構は、金属棒が取り付けられたロータリーソレノイド磁石の二対で構成されている。各解放機構二つのソレノイド磁石は、2つの金属棒が平行になるように配置されている。 <ol><li>各2平行なロッド上に2のサンプルを配置します。 </li><li>自由落下に粒子を解放するために2回転のソレノイドに電流を適用します。 （ 動画3を参照）。 </li></ol></li><li>ダブルウイングトラップドア解放機構（粒子加速機構と組み合わせて、円筒状のサンプル、）： この解放機構は、一緒にV字型のホルダー粒子を形成する2つのバネ付きの金属板からなる。二つの金属プレートは、ロータリーソレノイド磁石に取り付けられた金属棒によって適所に保持される。 <ol><li>クローズドトラップドア上に円筒状のダストサンプルを置きます。 </li><li>適用することにより、トラップドアのロックを解除ソレノイド磁石に電流。ドアのバウンス·バックを回避するためには、渦電流ブレーキは（ 動画4を参照）、それらを停止します。 注：初期速度と回転せずに自由落下に粒子を放出することが重要です。この目的のために、いくつかの放出機構は、（ ​​- 2.1.4 2.1.1）が開発されている。 </li></ol></li></ol></li><li>粒子加速のメカニズム： プリロードされたスプリングにより、または電磁的に駆動リニアステージのいずれかによって、粒子を加速させる。両方の促進剤は、異なる形状の粒子のためのサンプルホルダーを装備することができる。 </li> <li>制御エレクトロニクス： タイマーを設定し、所望の衝突速度を達成するために、適切な値に電子機器を解放し、質量中心フレームでカメラを操作する。 注：粒子放出、粒子加速、カメラ放出のタイミングは、その機能がMに説明された電子タイマーのセットによって実行されるOVIE 5。 </li></ol> 3。実験を行う<ol><li>低速衝突（小型落下塔）： <ol><li>はさみ型の二重解放メカニズムと密接な真空ガラス管に負荷サンプル。 </li><li>避難を開始し、タイマーパラメータを設定します。 </li><li>それらの磁気解除ユニットにカメラを取り付けます。連続カメラの録画を開始します。 注：露光中に粒子の運動が無視できるように、LEDにより明視野照明の高輝度に、高速度カメラの十分に短い露光時間を選択することができる。その上、カメラの対物レンズのFストップは、焦点深度落下塔の直径全体にわたるを拡張するために十分に高い値に設定する必要があります。 </li><li>所望の真空の質に到達すると、点灯のスイッチスタートボタンを押して、画像シーケンスをダウンロードする。 </li></ol></li><li>高速の衝突（大粒タワー）： <ol><li>二重の勝利への負荷のサンプルGトラップドア解除機構とアクセルと真空ガラス管を閉じます。 </li><li>避難を開始し、タイマーパラメータを設定します。 </li><li>連続カメラの録画を開始します。所望の真空品質に到達すると、照明のスイッチをオンし、スタートボタンを押してください。イメージシーケンスをダウンロードしてください。 注：露光中に粒子の運動が無視できるように、LEDにより明視野照明の高輝度に、高速度カメラの十分に短い露光時間を選択することができる。その上、カメラの対物レンズのFストップは、焦点深度落下塔の直径全体にわたるを拡張するために十分に高い値に設定する必要があります。 </li></ol></li></ol> 4例の実験<ol><li>慎重に適切な放出機構にサンプルをロードします。 <ol><li>低速衝突（二重解放機構と、0.09メートル/秒）：5cmの対5センチメートル、跳ねる。 2はさみ型放出機構にサンプルをロードします。へ0.09メートル/秒の衝突速度を達成、離れて粒子7ミリメートルを配置し、9ミリ秒の放出機構の遅延時間を設定します。 注意：この衝突速度では、ダストサンプルは衝突後お互いに跳ね返る。画像シーケンスは、自由落下高速度カメラ（ 動画6参照）によって捕捉される。 </li> <li>高速衝突（電磁加速、7.4メートル/秒）：2センチ対2センチメートル、フラグメンテーション。 ダブルウイングトラップドア放出機構に1サンプルを読み込む。リニアステージ加速器の試料ホルダーに他のサンプルを置く。 注：同時に上部ダスト凝集体が落下しながら7.4メートル/秒の衝突速度を達成するために、低いダスト凝集体がスムーズに2 gの上方に加速される。 7.4メートル/秒の相対速度で、ダスト試料断片（ ムービー7を参照）。 </li> <li>大きな集合体の小さな凝集体の高速衝突0.5センチ対5センチメートル、物質移動。 負荷番目はさみ型解放機構へのE大きなサンプル;春の加速器の試料ホルダーに小さいサンプルを置く。 注：同時に上部ダスト凝集体が落下しながら、物質移動に必要な衝突速度を達成するために、低いダスト凝集体がスムーズに上方へ加速される。この相対速度において、より小さな試料断片と大きなサンプル上への転送量を少量。カメラは、上部（より大規模な）粒子沿っ低下すると、高速度カメラで撮影した画像は、外部から見た真実ではないもの、（ 映画8参照）安静時多かれ少なかれ大きな粒子の印象を与える落下塔。 </li></ol></li><li>真空ガラス管を閉じます。 </li><li>慎重にゆっくり排気を開始し、所望の衝突速度のために必要な時間差にタイマーパラメータを設定するためにポンプに真空弁を開く。 </li><li> （自由落下のカメラが使われている場合）、その解除ユニットにカメラを取り付けます。連続カメラの録画を開始し、照明のスイッチを入れる。 </li><li>所望の真空の質に到達すると、タイマーシーケンスを開始するために解放ボタンを押してください。 </li><li>コンピュータへの高速カメラで記録された画像シーケンスをダウンロードしてください。 </li></ol> 5。データ解析<ol><li>背景やオブジェクトのグレー値との間に適切なしきい値グレー値を選択しました。ブラック（バイナリ値0）に低いグレー値で（バイナリ値1）ホワイト、ピクセルにしきい値以上のグレー値を持つピクセルを設定することで、このしきい値に基づいてバイナリイメージを作成します。 </li><li>画像の各々における質量の粒子の中心の位置を決定します。対称粒子に対する質量中心を決定するための良好な近似は、投影面積の中心である。これは、二値画像から計算されます。 </li><li>計算するためのカメラ画像からの質量のオブジェクトの中心の相対的な位置及び時間情報を使用し相対速度（ 動画9を参照）。位置曲線の傾きが映画9の右手側に示されている。 <ol><li>リバウンド衝突の場合には、前と接触後の相対速度を決定する。前衝突後の速度の比、 すなわち反発係数を計算します。反発係数に対する相対速度をプロットします。この分析の例を図4に示す。 </li></ol></li></ol><img alt="図4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> 図4の衝突を跳ねるの分析例。反発係数は、反発速度と衝突速度 ​​との比、すなわち 、衝突速度 ​​の関数としてプロットされている。円は2センチディアムの球形ダスト集計のデータを表示ター13（ 図2参照）、三角形は直径5cmおよび5cmの高さの円筒状のダスト凝集体間の衝突を示す（ 図2を参照）、0.3及び0.4の二つの異なる体積充填率は、それぞれ12。データが増加し、衝突速度 ​​と反発係数を減少させる傾向を示している。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。</a> <ol start="2"><li>一方または両方の粒子フラグメント場合は、それぞれの投影面積を測定し、適切な形状を仮定することにより、可能な限り最大の断片のような多くのサイズを決定する。 <ol><li>唯一つの粒子の断片化が発生した場合、それは通常、生き残った粒子にその質量の一定量を転送する。大量transfeを定量化するために適切な形状および気孔率を仮定して、増額体積を測定することによって転送塊の量を決定r個の効率。 </li></ol></li></ol>

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</ol>

開示するものは何もありません。

高い機械的精度に、両方のドロップタワーの故障率は極めて低い。サンプル調製が必要なダストの凝集体の大きさ、形状、気孔率に応じて、数時間かかる場合があるためで、最も重要である。それは非常に高い気孔率を持つ大規模なダスト凝集体が非常に脆く、取り扱いが困難であることが言及されるべきである。それは、これらのダスト凝集体が落下塔に金型や移転オフ抽出中に壊れることを発生することがあります。これらの場合には、新しいサンプルを用意しなければならない。このように、小さな落下塔は信頼（予測可能）、衝突速度 ​​ダウン0.01メートル/秒11,13を可能にすることが重要です。これまでに達成され、最も低い衝撃速度0.004メートル/秒であった。これらの小さな衝突速度は、微小重力環境における自由粒子に到達することができます。実験室での落下塔は、微小重力施設の安価で汎用性の実現である。 Alternati低衝撃速度を達成する方法は、（電磁または空気浮上により）浮揚14,15の技法を利用することが、一般に衝突の分析において考慮されなければならない衝突する粒子間の力を誘導見る。また、浮上は、多くの場合、不要な場合には、回転のない衝突を許可していませんが、一方で、でも回転粒子間の衝突の現実的なシミュレーションを可能にするかもしれないが、回転運動14を誘導する。空力浮上の場合には、衝突時のエアクッション効果は、原始ディスクのものと一致しない望ましくない状態を引き起こすことができる。それは、時間制限が必要不可欠である場合に落下塔の代替を考慮しなければならないように、しかし、浮上は無制限観測時間と再現実験が可能になります。すべての私たちの努力は、これまで地上惑星形成rのケイ酸塩の代表としてはSiO 2に集中してきた若いソーラーシステムのegion。惑星系円盤の質量の大部分が水氷の凝縮点を超えて濃縮されているように、それはまた、ミクロンサイズのH 2 O-、氷粒子からなる凝集体の衝突挙動を研究することが必須である。我々は現在、この目的のために凍結真空落下塔を設定している。このようなシミュレーション実験中の温度は「雪のラインは「水が水蒸気に​​なっ内部領域を分割する原始惑星系円盤内のいわゆる「スノーライン」（温度は〜150 K、以下でなければならないことに注意しなければならないそれは固体の水の氷のように発見された外側領域からの位相）。我々は、ミクロンサイズの水-氷粒子の形成が可能であり、我々は次の1〜2年以内に衝突挙動の最初の結果を有することが楽観的であるように、凝集体は、その16を製造できることが示されている。

一般的には、1（ブラム·ワームによるレビューを参照）惑星形成が大きなダスト凝集体に微 ​​視的に小さな塵粒の非重力の蓄積で始まることが認められている。ダスト粒子は、ブラウン運動、相対的なドリフトの動き、そして星雲ガスの乱（ヨハンセンらのレビューを参照してください）2への原始惑星系円盤内で衝突する。衝突速度が十分に低い場合には、ダスト粒子は、より大きな凝集体を形成するために一緒に固執する。過去数年にわたる実験室での測定値の富は、任意の質量と衝突速度​​3とダスト凝集体のペアの結果を予測防塵集約衝突モデルにつながっている。基本的な衝突の結果は、（小さな骨材塊と低い衝突速度のために、一般的に）付着バウンス、および断片化（高衝撃速度のため）されています。しかし、これらのフェーズ間の遷移がシャープではなく、その他がある成果のような、 例えば物質移動や浸食。典型的な原始惑星系円盤にこのモデルを適用すると、数千年4内のCMサイズのダスト凝集体の成長を予測している。 CMサイズのダスト凝集体の存在は（テスティらのレビューを参照してください）。広く、過去年間で天体観測によって調査されており、確立されたようになりましたとみなすことができる5まず巨視的機関による原則的メカニズムと結論するよう若い惑星系の形で同定されている。 しかし、少なくともキロサイズのボディに、さらなる成長はそれほど明確ではありません。によるCMサイズのダスト凝集体（I）濃度、 例えば ：地上惑星領域について、二つの仮説が現在議論されている（ らヨハンセンによっても、この問題に関する最近の口コミを見る2とテスティら5。）ストリーミング不安定6とその後のgravitational崩壊7,8および物質移動過程9,10,11によるその後の質量降着と大きなサイズにはいくつかの「幸運な当選者」の（II）の成長。両方のモデルでは、CMサイズのダスト凝集体は、中程度の速度に低い時に相互衝突の膨大な数を受ける。それは（バウンスに加えて）これらの衝突の可能性のある結果が何であるかは不明である。 。ギュトラーらによって塵集約衝突モデルを改善し3、より詳細に関連する速度計画において巨視的ダストアグリゲイト間の衝突を調査するために、我々は個々の集約集約衝突が可能な、我々の研究室で2落下塔を設定するには真空と重力の条件で非常に詳細に研究すること。両方のドロップタワーは観測時間〜0.5秒に制限さ1.5メートルの自由落下高さを持っている。したがって、我々は、メガピクセル·フォーマットで毎秒7,500フレームまでの高速カメラで衝突を観測する。最大コントラストおよび高い記録速度については、明視野照明が選択される。照明は、高輝度LEDパネルによって提供され、拡散スクリーンによって均質化する。したがって、高速度カメラは衝突塵埃が点灯画面の前に暗いオブジェクトを集約して表示。ちらつきを回避するために、LEDは、受電DCである。 低衝突速度を達成するために、2つのダスト凝集体は、二重解放機構で互いの上に配置されている。 GとV = GTの相対速度が低い1の結果の前に、上の集計に時間tを解放= 9.81メートル/秒2は、地球の重力加速度であること。離れて2方向90°からの衝突を表示する2つの高速カメラは、通常、2つのダストアグリゲイト（通常はT / 2、上の粒子の後）の間にリリースされます。カメラは、カメラの衝撃によって終了する連続記録モードで実行する砂のバケットに保持者。この動作モードでの最大フレームレートはメガピクセルの解像度で、毎秒1000枚です。この設定では、m /秒、0.01以下にまで速度が達成されている。による二重解放機構の機械的なセットアップの制限のために、最大相対衝突速度は、約3メートル/秒である。サイズは最大5 CMとダスト凝集を伴う衝突がこの落下塔で研究されてきた。より高い衝突速度は最大円滑に塵埃が鉛直上方向に5m /秒まで加速するために集約することが可能な電磁アクセルが装備され〜10m /秒、第二の落下塔が使用されている、である。他のダスト凝集体は、二重翼トラップドア解放機構により保持され、任意の時間に自由落下中に回転自由に放出することができる。ここでは、自由落下のカメラを使用しても意味がありません。私たちは、むしろ二とメガピクセルの解像度ごとに最大7,500フレームと2つの固定の高速カメラを使用しています。大きなDIAMETによるこの落下塔のERは、ほこりが（そしておそらく以上）のサイズが10cmを使用することができるまで集約されます。

<table><tbody><tr><td>単分散SiO2粒子</td><td>Micromod</td><td>43-00-153</td><td>粒子径 1.52 &plusmn; 0.06 &micro;m;粒子形状 球状</td></tr><tr><td>多分散 SiO2粒子</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>粒子径 0.1 &ndash; 10 & micro;m;粒子形状不規則</td></tr></tbody></table>

原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

初期の太陽系内の塵の凝集体の進化を調査する目的で、我々を10cmと気孔率は最大70％〜最大サイズの脆弱なダストアグリゲイトが衝突することができる2つの真空落下塔を開発しました。非常に低い影響が0.01以下10m /秒にまで短縮し、二重解放機構を利用するためのドロップタワーの一つは、主に使用される。衝突は、2つのダスト凝集体の重心フレームガラス真空管に沿って落下する2つの高速カメラによりステレオビューに記録されている。他の自由落下塔穏やか最大5m /秒にダスト凝集を加速することが可能な電磁促進剤を利用する。自由落下の別の塵集合体のリリースとの組み合わせでは、衝突が〜10メートル/秒を達成することができるようにスピードアップします。ここで、2つの固定された高速度カメラは、衝突イベントを記録する。彼らは無重力であり、一致するように、両方の落下塔では、ダスト凝集体は衝突時に自由落下している原始太陽系の条件。

プロトコールに記載されて十分に特徴付けられた防塵集計サンプルを使用します（ 図1-3を参照）、実験室のドロップタワーの1で観察された任意の衝突が原始惑星系円盤に似た衝突の結果に科学的に貴重な情報が得られます。我々はこれまで体系的との体積充填率で（0.008および2.02メートル/秒13と5cmの大きさの円筒形ダストアグリゲイトの間の速度域で2cmの衝突の結果を（0.5、体積充填率で）サイズの球状ダスト凝集体を研究している0.3及び0.5）0.004及び2m /秒12との間の速度範囲である。我々は以下の速度の場合-支配の結果としてダストアグリゲイトの間バウンス見つかっダスト凝集体の両方のタイプの0.4メートル/秒（例えば映画の6を参照）。 図4では、これらのバウンス衝突の反発係数が示されている。円は2を用いた実験を表すCMサイズの球状のサンプル13と三角形は二つの異なる充填密度12で5センチメートル間の衝突の結果サイズのダストシリンダーを表しています。個々の実験の反発係数が広く散乱しているが、反発係数の平均値が増加する衝突速度と共に減少する。 両方のダスト凝集体は、典型的には、（例えば、 映画7を参照のこと）〜1m /秒の速度のために、上記衝突時に断片化する。 〜0.4と〜1メートル/秒の間の速度のために、1つの2の衝突ダスト凝集体の断片化が発生する可能性があります。この場合、非断片化ダスト凝集体は、物質移動13質量数パーセントを得る。上記の速度制限は、シャープではありませんが、別の政権の間に境界が2,11のどこにある約示す。さまざまなサイズと適度な速度のダストアグリゲイトの衝突のため、影響はほぼTにつながるわけではない<html> O 2ダスト凝集体の大きいの断片化。反対に、大きな体が小さくインパクタ（ 動画8を参照）の質量の一部の移転によりその質量を増加させる。 2ダストアグリゲイトが互いに跳ね返るするケースについては、並進運動エネルギーからの転送は、衝突前に（並進運動エネルギー、回転運動エネルギー、その他に（ダスト凝集体が衝突する前に回転しないことに注意し）散逸）エネルギーチャネル（ダスト凝集体、例えば圧縮）を決定することができる。我々は、散逸エネルギの相対量は強く増加速度で増加し、ダストのより低い体積充填率のために高くなる12を集約する中央衝突を（ここで、回転エネルギーは無視できる）ことを見出した。この動作は、分子動力学シミュレーション12でモデル化することができる。 粒子·オン·ア·ストリング（ののTTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;ターゲット=&quot; _blank &quot;&gt;映画1（スローモーションで再生）。高速ムービー上）とトラップドア解放機構（下）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">映画の2</a>重トラップドア解放機構の（スローモーションで再生）。高速ムービー。両方のサンプルは、リリース時に非常に低い外乱に自由落下中に閉じ込められたまま2mmの直径の Al 2 O 3粒子の塊である。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">映画の3</a>はさみ型の二重解放機構の（スローモーションで再生）。高速ムービー。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">映画</a>ダブルウイングトラップドア解放機構の（スローモーションで再生）4。高速ムービー。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">映画5</a> 。自由落下に上下の放出機構だけでなく、カメラのリリースを切り替えるタイマーエレクトロニクスのアニメーション。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">映画の6</a> 2 5センチメートルサイズの防塵集約シリンダ間のバウンス衝突（スローモーションで再生）。高速ムービー。 2ダスト凝集体は、はさみ形の二重放出機構によって放出さ0.09メートル/秒の速度で衝突する。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">映画の7</a> 2 2センチメートルサイズの円筒形のダスト（スローモーションで再生）。高速ムービーはcollidiを集約7.4メートル/秒の相対速度でngの。両方の凝集体が完全に断片化。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">映画の8</a> 5センチメートルサイズの円筒型固体ターゲットに影響を与える5ミリメートルサイズのダスト集合体（スローモーションで再生）。高速ムービー。 4.3メートル/秒の衝撃速度は、小さなホコリ集合体の断片化の速度を超えているように、これは映画の中ではっきりと見ることが目標に離れてに転送、その質量の一部を壊します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">映画の9</a> 。半自動粒子追跡アルゴリズムによる粒子軌道の決定。ここでは、2 2センチメートルサイズの球形ダストアグリゲイトの衝突が示されている。

私たちは、実験室での脆弱なダストアグリゲイトの間の中間の速度の衝突に低速度を達成するための手法を提示する。この目的のために、2つの真空ドロップタワーセットアップが開発されている&lt;0.01〜10m /秒の間の衝突速度を可能にする。衝突イベントは、高速撮像によって記録される。

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

この手順の全体的な目的は、初期太陽系における塵の凝集体の衝突を実験的にシミュレートし、惑星形成の初期段階を理解することです。これは、まず、初期太陽系の塵粒子を模した2つの多孔質塵凝集体を調製することで達成されます。次のステップでは、両方の塵凝集体を実験用ドロップタワーの1つに挿入します。このドロップタワーは、微小重力条件下で塵凝集体同士の衝突を発生させるように調整されています。次に、実験を行い、2つのダスト凝集体の衝突を高速カメラで記録します。最終ステップは、エネルギー損失、質量移動、およびダスト凝集体の断片化に関して、衝突の高速記録を分析することです。最終的に、これらの結果は、惑星形成の初期段階のモデリングに必要な、初期太陽系におけるダスト凝集体の衝突の物理モデルを構築するために使用されます。この手法は、惑星の構成要素同士の衝突の結果など、惑星形成分野における重要な疑問を解決するのに役立ちます。私たちは、脆弱なダスト凝集体間で非常に低速な衝突を大量に実施する手段を模索していた際に、この手法を考案しました。商用の微小重力施設などの既存の手法に対するこの技術の主な利点は、実験をより頻繁に実施でき、研究室内で費用効率よく行える点にあります。調製したサンプルは非常に脆いため、サンプル調製の手順を習得するのが困難であり、本手法を視覚的に提示することが極めて重要です。まず、以下の式を用いて、目的の形状に必要な材料量を算出します。十分な量の材料を0.5 millimeterのメッシュCでふるい、算出した質量分をモールドに充填します。次に、ピストンを手で押し、サンプルが5 cmになるまで金型内部の材料を圧縮します。最後に、金型を逆さまにします。ベースプレートを開き、ピストンでゆっくりとサンプルを押し出します。球形の上部粒子サンプルには、紐による粒子放出機構を使用します。この種の放出設定を行うには、放出する粒子を紐に取り付けます。これは、紐用の通路を備えたピストンを用いてサンプルを圧縮する際に行います。球状の下部粒子サンプルの場合、ソレノイド磁石と金属製の固定用カウンターピースで挟み込み、紐を固定します。トラップドアのリリース機構を使用してください。まず、粒子を半球状の型に入れてください。適切なタイミングで、以下に述べる上部放出機構のソレノイド磁石に電流を印加します。球状クラスターなどのより複雑な配置を調べる場合は、回転ソレノイドを用いてトラップドアを下方に回転させるため、2つのトラップドア放出機構を上下に重ねて設置し、電流を印加します。円筒形試料の場合、両方のトラップドア機構に試料をロードした後、適切なタイミングで電流を印加して試料を放出します。シザー型のダブルリリース機構を所定の位置に取り付けます。次に、円柱状のサンプルをリリースプレート上に静かに配置します。前述と同様に、ソレノイド磁石に電流を流してサンプルをリリースします。サンプルを単に自由落下させるのではなく加速させる場合は、電磁駆動リニアステージなどの粒子加速機構を使用してください。粒子加速と併せて円筒形サンプルを試験する場合は、ダブルウィング型トラップドア放出機構を使用します。円筒形の粉塵サンプルを閉じた状態のトラップドアの上に設置してください。次に、ソレノイド磁石に電流を流してトラップドアを開けます。渦電流ブレーキによってドアがサンプル側に跳ね返るのが抑制され、低速衝突が実現されることに注目してください。速度は0.09 meters per secondです。1 cmの粒子の一方をストリング上の粒子機構に配置し、もう一方の1 cmの粒子をトラップドア放出機構内の7 mm離れた位置に配置します。その後、真空ガラス管を閉じます。真空ポンプへのバルブを慎重に開き、管内の空気をゆっくりと排気し始めます。次に、放出機構のタイムディレイを9ミリ秒に設定します。これにより、まず上部のダスト凝集体が放出され、その9ミリ秒後に下部の粒子が放出されることになります。カメラはその間に放出されます。次に、カメラを放出ユニットに取り付け、照明を点灯させます。その後、連続録画を開始してください。1ミリバー未満の目的の真空度に達したら、リリースボタンを押してタイマーシーケンスを開始してください。実験完了後、高速カメラで記録された画像シーケンスをコンピューターにダウンロードします。直径5cm、高さ5cmの2つの円筒形サンプルを用意し、まず一方のサンプルをダブルウィングトラップドアリリース機構に、もう一方をリニアステージ加速器のサンプルホルダーにセットして、高速衝突の準備をします。サンプルの配置が完了したら、前述と同様にガラス管を密閉し、真空バルブを開いて管内から空気を除去し、チャンバーを準備してください。次に、希望の条件に従って、放出機構と線形加速器のタイミングを設定します。続いて、適切な照明を点灯させ、ハイスピードカメラで録画を開始します。0.01 millibar 以上の所望の真空度に達したら、放出ボタンを押して衝突を開始させます。異なるサイズの凝集塊について、前述と同様にカメラで記録した画像シーケンスをダウンロードします。大きなサンプルを放出機構にロードし、次に小さなサンプルを加速器のサンプルホルダーに配置します。これらの単分散球状および多分散不規則シリカ粒子の電子顕微鏡画像は、ラボでのドロップタワー実験に使用されたサンプルの物理的特性を示しています。ダスト凝集塊は、直径1 cm、2 cm、5 cmのダストシリンダーや、直径1 cm、2 cmのダスト球体など、さまざまなサンプルサイズと形状で作成できます。さらに、円筒形ダスト凝集塊サンプルの内部構造をX線トモグラフィーで再構成することで、2〜3 mmサイズの発光球体のクラスターを使用することも可能です。この高空隙率のサンプルが、ミリメートルサイズのダスト凝集塊を用いて組み立てられたことが明確に分かります。グレースケールは体積充填率、すなわちサンプルの質量密度とモノマーダスト粒子の材料密度の比を表しています。粒子の位置を時間的に追跡して衝突前後での速度を導出し、跳ね返り衝突速度を分析しました。これらの値の比は反発係数と呼ばれ、衝突時のエネルギー損失を示します。分析された反発係数を衝突速度に対してプロットしました。球形ダスト、凝集体、および円柱状ダスト凝集体間の衝突に関するデータは、衝突速度の増加に伴い反発係数が減少する傾向を示しています。この手法を習得すれば、適切に実施することで1時間で完了させることができます。マイクロメートルサイズの粒子を取り扱うことは非常に危険であるため、本手順の実施中は、保護マスク、手袋、およびこのような排気フードなどの予防策を常に講じてください。

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Research

JoVE Journal

Engineering

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原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー

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