Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-03T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 54 s
Description: 学ぼう、レゴリス塵の帯電と動員メカニズム。真空チャンバー内で熱プラズマ、ビーム電子、紫外線を用いた実験手法を解説。無大気天体表面の静電気的塵輸送を理解し、将来の惑星探査ミッションに貢献する基礎研究を支援します。

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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)。

1. 真空チャンバのセットアップ
<ol><li>(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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>2. ビーム電子熱プラズマへの暴露
<ol><li>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。</li>
	<li>アルゴンのガスの圧力と真空チャンバー 〜 0.5 mTorr。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>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。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. のみ電子ビーム露出
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
	<li>2 つの異なるモードでフィラメントを動作します。<ol>
<li>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。</li>
		<li>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。</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. 紫外線のみに露出
<ol><li>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。</li>
	<li>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。</li>
</ol>

<ol><li>Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCriswell%2C+DR+%22Photon+and+Particle+Interactions+with+Surfaces+in+Space%22">Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space</a>. , Springer. New York. 545-556 (1973).</li>
<li>Rennilson, J. J., Criswell, D. R. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00655715">Surveyor observations of lunar horizon-glow.</a> Moon. 10 (2), 121-142 (1974).</li>
<li>Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005RG000184/abstract">Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics.</a> Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).</li>
<li>McCoy, J. E., Criswell, D. R. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/1974LPSC....5.2991M">Evidence for a high latitude distribution of lunar dust.</a> The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991(1974).</li>
<li>Zook, H. A., McCoy, J. E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/91GL02235/abstract">Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere.</a> Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).</li>
<li>Smith, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encounter+with+Saturn+-+Voyager-1+imaging+science+results%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results.</a> Science. 212 (4491), 163-191 (1981).</li>
<li>Smith, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+look+at+the+Saturn+system+-+the+Voyager-2+images%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images.</a> Science. 215 (4532), 504-537 (1982).</li>
<li>Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Saturn%27s+spokes%3A+Lost+and+found%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Saturn's spokes: Lost and found.</a> Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).</li>
<li>Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+nature+of+ponded+deposits+on+Eros%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The nature of ponded deposits on Eros.</a> Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).</li>
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<li>Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4947215">Dust on a surface in a plasma: A charge simulation.</a> Phys. Plasmas. 23 (6), 043703(2016).</li>
<li>Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL069491/full">Dust charging and transport on airless planetary bodies.</a> Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).</li>
<li>Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL072909/full">The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces.</a> Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).</li>
<li>Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).</li>
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<li>Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063308004042">Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith.</a> Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).</li>
<li>Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/12/3/033036">Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment.</a> New J. Phys. 12, 033036(2010).</li>
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<li>Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3700170">Experimental study of a photoelectron sheath.</a> Phys. Plasmas. 19 (4), 043502(2012).</li>
<li>Zimmerman, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JE005049/full">Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths.</a> J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).</li>
<li>Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GL067175/full">Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space.</a> Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).</li>
</ol>

著者が明らかに何もありません。

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。
<p class="jove_con...

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。

<table><tbody><tr><td>真空チャンバー</td><td>任意の</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>真空電極フィードスルー</td><td>Lesker</td><td>EFT0113053</td><td></td></tr><tr><td>タングステンフィラメント (厚さ0.1mm)</td><td>Goodfellow</td><td>W055250</td><td>Thoriated</td></tr><tr><td>電源 #1 (0-8V, 3A)</td><td>Agilent</td><td>E3610A</td><td>または同等の</td></tr><tr><td>電源 #2 (0-140V, 0.5A)</td><td>Agilent</td><td>E3612A</td><td>または同等品</td></tr><tr><td>UVランプ</td><td>オスラム</td><td>XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV</td><td>または同等の</td></tr><tr><td>ダストサンプル</td><td>火</td><td>星や月の類似石、その他のタイプ</td><td>不規則な形状、ふるい分け、絶縁</td></tr><tr><td>性 絶縁板</td><td>NAなし</td><td></td><td>NA> 1cm</td></tr><tr><td>厚 ゴムシート</td><td>NA選</td>べ<td></td><td>> 1mm</td></tr><tr><td>金属板</td><td>NA選べ</td><td></td><td></td></tr><tr>ば<td>セラミックスタンドマク</td><td></td><td>マスター94335A130</td><td>1/2 "直径</td></tr>ビデオ<tr><td>カメラ(消費者)</td><td>パナソニック</td><td>HC-VX870</td><td>または同等の</td></tr><tr><td>ビデオカメラ(高速)</td><td>ファントム</td><td>V2512</td><td>>1000 fps</td></tr><tr><td>LEDランプ</td><td>任意の</td><td>NA</td>><td>500Wタングステン相当</td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

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。

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...

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。

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

この実験の全体的な目標は、宇宙や実験室の条件でレゴリスダスト粒子がロフトまたは動員されるのに十分な電荷を獲得するメカニズムを示すことです。この方法は、太陽系の空気のない物体の表面を形成する上での電気粉塵輸送の役割に関する重要な質問に答えるのに役立ちます。この方法は、既存の宇宙観測を最終的に説明し、将来のミッション調査のガイダンスを提供するための実験とコンピューターモデリングの両方を含む将来の研究への道を開きます。この方法は、制御された方法でダスト粒子を移動させる方法を示しており、他の研究者が独自の実験を開発するのに役立ちます。その手順を実演するのは、私たちの研究室の学部生であるNoah Hoodです。実験には真空チャンバーが必要です。これは直径50センチ、高さ28センチで、アルゴンタンクとポンプシステムに接続されています。内部には電気的に絶縁された金属板があります。この時点で、ダスト粒子をロードする準備をします。直径20センチ、厚さ2センチの断熱プレートを使用し、その上に中央に穴の開いた侮辱的なゴムシートを置きます。次に、穴の中の不規則な形状のほこり粒子を絶縁します。絶縁プレートを真空チャンバーに移動します。そこに、内側の金属板の上に置きます。次に、ほこりの動きを記録するためのビデオカメラをセットアップします。照明には、少なくとも500ワットの白熱源に相当するLEDライトを使用してください。この画像は、ビームがダスト粒子と相互作用する前のダスト粒子のものです。この電子ビーム実験には2本のフィラメントが必要です。この例のように、2つの電極フィードスルーのそれぞれにトリウムタングステンフィラメントを取り付けます。フィードスルーの1つを真空チャンバーの上部に取り付けます。このフィラメントをフィラメント電源に接続します。次に、チャンバーの底にフィラメントを使用して2番目のフィードスルーを取り付けます。チャンバーを希望のベース圧力までポンプで送り続けます。次に、アルゴンガス供給を使用して、チャンバーを約1/2ミリトーまで満たします。準備ができたら、フィラメント電源をオンにし、バイアス電圧をマイナス120ボルトに設定します。カメラの電源を入れて録画します。電源で、加熱ボリュームを上げますtage。放射電流が数ミリアンペアになったら停止します。ダスト粒子の応答を記録します。動き始める2つの高エネルギー電子と熱電子を露出させます。フィラメントの電源を切り、下部のフィラメントに接続します。電源がオンの状態で、バイアス電圧をマイナス40ボルトに設定します。加熱電圧を上げて、200ミリアンペアを超える放射電流に到達します。ダスト粒子の動きを記録します。熱電子のみにさらされると、動きません。底部を密閉した真空チャンバーから始めます。金属板で支えられた絶縁板に粉塵粒子を装填します。フ

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効率的な高温化学反応のための非平衡マイクロ波プラズマ

液体や細胞の高スループット低温物理プラズマ治療プロトコルが表示されます。プラズマ治療後プラズマの発光スペクトルと液体、細胞の活動の後の分析を測定プラズマ点火のため異なるフィード...

プラズマ医学 - セルを液体からスループット アプローチの基礎的研究

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コストジェットを用いた冷気圧プラズマによる表面の処理

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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

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