방법 논문

먼지가 충전 및 자외선 또는 플라즈마에 노출 표면에 동원의 실험 방법

DOI:

10.3791/57072

⸱

2018년 4월 3일

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

이 논문에서

요약

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

먼지 충전 및 동원 전자 빔, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 3 실험에서 증명 됩니다. 이러한 실험 정전기 먼지 전송의 고급 이해 및 무기 행성 시체의 표면 형성에 역할을 제시.

초록

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정전기 먼지 전송 다양 한 특이 한 행성 현상의 관측을 설명 하기 위해 가설 되었습니다. 여기, 그것은 최근 3을 사용 하 여 실험에 있는 먼지 입자 빔 전자, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 되는 개발 시연입니다. UV 광원 파장 가운데 172에 좁은 대역폭에 nm. 120 eV의 에너지 광속 전자는 부정적으로 치우치는 뜨거운 필 라 멘 트와 함께 만들어집니다. 진공 챔버를 아르곤 가스로 가득 열 플라즈마 전자 빔 이외에 만들어집니다. 미크론 직경에서의 몇 수만의 격리 먼지 입자는 실험에 사용 됩니다. 먼지 입자는 1 m/s까지 발사 속도 함께 몇 센티미터까지 높이 lofted에 기록 됩니다. 이러한 실험 사진 및/또는 2 차 전자 방출 먼지 표면에서 먼지 입자의 충전 메커니즘을 변경 하는 방법을 보여 줍니다. 최근에 개발 된 "패치 충전 모델"에 따르면 방출된 전자를 다시 주변 먼지에 향상 된 부정적인 비용의 축적을 일으키는 표면 아래 이웃 먼지 입자 사이 microcavities 안으로 흡수 될 수 있다 입자입니다. 이 사이 반발 세력 부정적인 청구 입자 동원과 그들을 리프트 표면에서 충분히 클 수 있습니다. 이러한 실험 먼지가 표면에 먼지 충전 및 전송의 고급 이해를 제시 하 고 답답한 행성 시체의 표면 진화에 그것의 역할의 미래 조사에 대 한 토대를 마련.

서론

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달과 소행성, 같은 답답한 행성 시체, 미세 먼지 입자 라는 regolith 덮여 있다. 이 답답한 몸, 지구와 달리 직접 태양풍 플라즈마 및 청구 regolith 먼지를 일으키는 태양 자외선 (UV) 방사선에 노출 됩니다. 이러한 먼지 입자 수 있습니다 따라서 동원, 로프트, 수송, 또는 심지어 배출 되며 정전기 힘 때문에 표면에서 분실 청구. 첫 번째 제안이 정전기 과정의 증거 이었다 소위 "달 지평선 빛", 5 년 전 (그림 1a) 5, 6, 및 7 감정 인 우주선에 의해 일몰 직후 관찰 서쪽 지평선 위에 뚜렷한 빛1, 2,3. 그것은이 발광에서 정전 로프트 먼지 입자 (5 μ m 반경)에서 < 달 터미네이터1,2,3근처 표면 위에서 1m 높이에 흩어져 햇빛에 의해 발생 했다 가정 했다 되었습니다. 정전 발표 미세 먼지 또한 아폴로 우주 비행사4,5에 의해 보고 되는 높은 고도 도달 하는 광선 같은 깃발에 대 한 책임을 제안 했다.

이후이 아폴로 관측, 관측 다른 무기 시체의 숫자 또한 정전기 먼지 동원의 메커니즘에 연결 된 또는 로프트 했다, 토성의 레이디얼 스포크 같은 반지6,7, 8, 소행성 에로스 (그림 1b)9 에 먼지 연못과 혜성 67 P10,11주요 벨트 소행성 스펙트럼에서 표시 다공성 표면 비정상적으로 부드러운 표면 토성의 얼음 달 아틀라스12, 그리고 13달 소용돌이 regolith입니다. 또한, 달 표면에 레이저 retroreflectors 저하 정전 로프트 먼지14의 축적에 의해 또한 발생할 수 있습니다.

실험실 연구는 크게 먼지 충전의 물리적 과정을 이해 하 고 수송 하기 위해이 특별 한 공간 관측 동기가 되었습니다. 먼지가 동원 있는 먼지 입자는 유리 구 표면15,16, 플라즈마 sheaths17, 부상 및 모두를 실시 하 고 보 온에 이동 기록에서 떨어져 창 고는 다양 한 플라즈마 조건에서 관찰 되었습니다. 표면18,19,,2021. 그러나, 먼지 입자 로프트 또는 동원 충분히 큰 요금을 얻을 어떻게 제대로 이해 남아 있었다. 부드러운 표면22 에 개별 먼지 입자 및 플라스마에 먼지가 표면23 에 평균 충전 밀도 요금 측정 표시 요금은 로프트 또는 동원 먼지 입자에 대 한 너무 작은.

이전 이론16,,2425, 충전만 UV 또는 플라스마에 직접 노출 되는 최고 표면 층에 고려 되었다. 혐의 종종 전체 먼지 표면, 즉균일 하 게 배포할 수 간주 됩니다., 각 개별 먼지 입자의, 소위 "공유 책임 모델"16에 의해 설명 된 동일한 금액을 얻습니다. 그러나,이 모델에서 계산 하는 요금은 혼자 중력 보다 훨씬 작습니다. 전자와 이온 표면16,24 의 용의 확률 과정에서는 정전기 힘, 일시적인 향상 하지만 그것에 비교에서 작은 남아 계정 요금 변동 이론에 중력 힘입니다.

이 논문에서는, 정전기 먼지 로프트와 동원은 증명 최근 3을 사용 하 여 개발 실험26는 답답한 행성 시체의 regolith에 먼지 수송을 이해 하기 위한 중요 한. 이 실험은 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라즈마의 조건에서 수행 됩니다. 이러한 실험 최근에 개발 된 "패치 충전 모델"26,27타당성 입증, 어떤 microcavities 형성 사이 먼지 입자 표면 아래 이웃 흡수할 수 있는 다시 내보낸된 사진 및 2 차 전자, 큰 생성 음수 인접 먼지 입자의 표면에 요금. 이러한 부정적인 요금 사이 반발 세력 동원 또는 먼지 입자에서 리프트를 충분히 큰 될 수 있습니다.

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프로토콜

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1. 진공 챔버 설치

  1. 보 온 플레이트 (2 ㎝ 두께 직경에서 20 cm)에 단 열 고무 시트 (두께 0.2 c m, 직경에서 5 cm) 중앙 구멍 1.9 cm 배치 (그림 2a, b). 단 열, 불규칙 모양의 먼지 입자 (직경에서 10, 50 μ m) 사이 구멍을 로드 합니다.
  2. 진공 챔버 중간 금속 판 서에 보 온 접시를 놓습니다. 전기 세라믹 스탠드 오프를 사용 하 여 상공에서 금속판 분리.
  3. 진공 펌프 (터보 펌프 기계 황삭 펌프에 의해 뒷받침) 설정의 기본 압력까지 ~ 10-6 Torr. 보여주는 실험 원통형 스테인레스 스틸 진공 챔버, 50 cm 직경에 키 큰 28 cm (그림 2c)에서 수행 됩니다.
  4. 먼지 운동과 로프트 일반 속도는 30 프레임/s (fps) 또는 고속 (> 2000 fps) 카메라에서 비디오 카메라와 함께 기록 합니다. 최대 조명에 해당 하는 LED 빛을 사용 하 여 > 500W incandesce 생산 좋은 품질 비디오 녹화에 대 한 먼지 입자에 충분 한 조명 하는 빛.
    참고: 때문에 카메라에 빛의 반사를 최소화 하는 어두운 색상은 고무를 사용 하 여. 밝은 색 먼지 입자는 어두운 고무 표면에 색상 대비로 인해 더 나은 촬영을 위해 사용 되어야 한다. 두꺼운 단 열 플레이트 먼지 충전 및 동원에 단 열 플레이트의 표면 및 금속 격판덮개 사이 전기 분야의 영향을 제거 하는 데 사용 됩니다. 이 데모에서는 화성 simulant (JSC-화성-1, 38-48 μ m의 평균 직경, 1.9 g/c m-3 의 대량 밀도 SiO2 28의 주요 구성 sieved) 사용 되었다는 유사한 내부에 답답한 시체의 일반적인 regolith 먼지 솔 라 시스템입니다. 다양 한 다른 유형의 먼지 입자를 절연 달 simulant (JSC-1), 음력 simulant 하이랜드 (LHT) 순수한 실리 카 먼지 등도 테스트 되었습니다.

2. 빔 전자와 열 플라즈마에 노출

  1. Thoriated 텅스텐 필 라 멘 트를 첨부 (0.1 m m 두께 ~ 3 ㎝ 길이) 전극 피드스루를 챔버 위에 그것을 설치 하 고. 다음 기본 압력까지 챔버를 펌프.
  2. 아르곤 가스의 압력을 진공 챔버를 채웁니다 ~ 0.5 mTorr.
  3. 전원 공급 장치를 켜고는 필 라 멘 트로 바이어스 전압-V 120을 설정.
  4. 현재 난방 난방 전압 증가 ~ 2A 방출 전류 (몇 mA) 원하는 값에 도달할 때까지. 120 eV의 에너지와 에너지 전자는 필 라 멘 트 로부터 방출 됩니다.
    참고:이 빔 같은 기본 전자 영향 중립 아르곤 원자를 이온화 되기에 그들을 일으키는 원인이 되 고 전자 온도 약 2 eV는 플라즈마를 만들기. 기본 빔 전자의 큰 분수는 직접 중립 원자와 충돌 없이 먼지가 표면에 도달합니다. 먼지 입자는 모두 열 플라즈마 및 빔 전자에 따라서 노출 됩니다.
  5. 먼지 전송에 에너지 빔 전자의 역할을 표시 하려면 먼지 입자 위에 열 플라즈마를 만드는 대체 작업을 사용 합니다.
    1. 설정 바이어스 전압 챔버의 바닥에는 다른 필 라 멘 트-V 40와 방출 전류 400 mA (그림 2a). 기본 전자는 필 라 멘 트 로부터 방출 되는 먼지 입자 (그림 2a, b) 나머지 모욕 접시 아래 금속 격판덮개에 의해 중지 됩니다.
    2. 표면 위의 전기 필드를 변경 하려면 현재 방출을 다. 더 높은 전류 높은 플라즈마 밀도, 얇은 칼 집, 그리고 이렇게 더 큰 전기장을 만듭니다.

3입니다.만 전자 광속 노출

  1. 최고의 필 라 멘 트를 사용 하 여 위의 실험에 설명 된 대로 실험을 설치.
  2. 기본 압력 10-6 Torr에서 최고의 필 라 멘 트에 설정 (즉., 아르곤 가스 챔버에 공급). 아니 플라즈마 120 eV 빔 전자 필 라 멘 트도 배에서 먼지 입자를 방출 하는 동안 만들어집니다.
  3. 두 가지 다른 모드에서 필 라 멘 트를 작동 합니다.
    1. -120 V, 바이어스 전압 설정 다음 방출 현재 몇 mA에 도달할 때까지 열 전압을 증가.
    2. 열 전압을 원하는 난방 현재를 도달 증가 ~ 2 A, 바이어스 전압 0 V-120 V 몇 mA의 방출 전류와 전자를 방출 하을 점차적으로 증가.

4입니다. UV 방사선만 노출

  1. 최고의 필 라 멘 트를 UV 램프 (그림 2b)와 기본 압력 챔버를 펌프 바꿉니다. 172 nm 파장의 자외선을 방출 하는 크 세 논 엑 오 스 람 램프를 사용 합니다. 해당 광자 에너지는 7.2 eV, 먼지 표면의 일 함수 보다 더 큰 (~ 5.5 eV) photoelectrons를 내보내려면.
    참고: 짧은 파장 UV 높은 에너지 광자를 방출 하는 먼지 입자에 따라서 더 많은 동원, 패치 충전 모델26,27에 따라 더 많은 책임을 만들 예정 이다.
  2. 먼지 입자를 방출 하는 자외선 램프를 켭니다. 데모, 광자 방사는 UV 소스에서 40 mW/cm-2 와 ~ 먼지가 표면에 16 mW/cm-2 .

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결과

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실험의 세트는 위쪽 또는 아래쪽 필 라 멘 트를 사용 하 여 수행 했다. 최고의 필 라 멘 트 설치와 함께 기록 된 먼지 입자의 호핑 (그림 3a). 반면, 먼지 입자 하단 필 라 멘 트를 사용 하는 경우 나머지에 남아 있었다. 그것은 표면에 수직 전기장 프로토콜 2 단계26에서 설명 하는 조건 하에서 두 실험에서 약 같은 (16 V/cm)은 측정 되었다. 이 결과 칼 집 전기 분야 때문에 정전기 힘 먼지 입자를 동원 수 있음을 나타냅니다. 이 두 실험의 유일한 차이점은 (최고 필 라 멘 트를 사용 하 여) 유무 (하단 필 라 멘 트를 사용 하 여) 표면 bombarding 빔 전자의.

먼지 및 왕 외측정 고무 표면 외부 잠재력.

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토론

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수십 년 동안,의 답답한 시체의 regolith 정전기 먼지 교통 문제 어떻게 regolith 먼지 입자 얻을 동원 또는 로프트 충분히 큰 요금 미결 문제에 남아 있었다. 최근 실험실 연구26,27 근본적으로이 문제에 대 한 이해를 전진 했다.

여기, 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라스마에서 먼지 충전 및 동원을 보여 시연된 3 최근에 개발 된 실험입니다. 이 실험에서 중요 요소 보조 전자 또는 먼지 표면에서 방출 하는 photoelectrons를 만드는 것입니다. 이전 작품26에서처럼 높습니다이 내보낸된 전자 먼지 입자 먼지 투성이 표면 아래 microcavities 안에 다시 그들의 흡수 때문에 크게 향상 된 부정적인 요금이 발생할 수 있습니다. 자세한 메커니즘은 최근에 개발 하 고 성공적으로 확인 된 "패치 충전...

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공개 사항

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저자는 공개 없다.

감사의 글

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이 작품은 플라즈마 모델링, 대기 및 우주 먼지 (영향)에 대 한 NASA/SSERVI의 연구소와 미 항공 우주국 태양계 동작 프로그램에 의해 지원 되었다 (허가 번호: NNX16AO81G).

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
진공 챔버모든NA
진공 전극 피드스루LeskerEFT0113053
텅스텐 필라멘트(0.1mm 두께)GoodfellowW055250Thoriated
전원 공급 장치 #1(0-8V, 3A)AgilentE3610A또는 동급
전원 공급 장치 #2(0-140V, 0.5A)AgilentE3612A또는 동급
UV 램프OsramXERADEX L40 / 120 / SB-SX48 / KF50HV또는 동급
먼지 샘플모든화성 또는 달 모사체 또는 기타 유형불규칙한 모양, 체질, 절연
절연 플레이트모든NA두께 > 1cm
고무 시트>1mm
금속판
세라믹 스탠드McMaster94335A1301/2" 직경
비디오 카메라(소비자)PanasonicHC-VX870또는 동급
비디오 카메라(고속)PhantomV2512> 1000fps
LED 램프AnyNA> 500W 텅스텐 등가

참고문헌

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