Name: 초기 태양계에서 먼지 집계 충돌 실험 시뮬레이션 실험실 드롭 타워 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: 배우세요 초기 태양계에서 먼지 집계체 충돌 실험을 진공 드롭 타워와 고속 카메라를 활용하여 시뮬레이션하는 방법입니다. 이 기법은 행성 형성의 첫 단계를 이해하는 데 필수적인 물리 모델 개발에 기여합니다.

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저자는 우리의 실험실 활동을 지속적으로 지원해 준 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) 및 TU Braunschweig에 감사를 표합니다. 저속 낙하 타워는 DLR 보조금 50WM0936에 따라 설립되었으며, 고속 낙하 타워는 CRC 963 "Astrophysical Flow Instabilities and Turbulence"의 일부로 DFG 보조금 INST 186/959-1에 따라 개발되었습니다.

주의 : 해당 안전 보건 자료 (MSDS)에서 찾을 수 있습니다 사용되는 입자의 유해성에 따라 입 보호 및 안전 장비가 먼지로 작업하는 사람이 착용해야한다. 또한 대기의 먼지가없는을 유지하기 위해 흡입 시스템을 사용하는 것이 좋습니다. cm 크기의 먼지 집계 샘플 1. 준비 <ol><li> m에 필요한 재료의 양을 계산 = Φ ρ m 필요한 질량 0 V, Φ는 (= 1 볼륨 작성 인자 - 기공) 원하는 볼륨 작성 요인, ρ 0 재료 밀도, V는 볼륨 샘플. 불규칙한 실리케이트 먼지 77g을 (ρ 0 = 2.6 g / cm 3)는 각각 5cm 직경과 높이의 원통형 시료에 대해 70 %의 샘플 기공률 (부피 충진 인자 = 0.3)를 달성하기 위해 요구된다. 참고 : 지상파 PLA의 형성을주로 규산염으로 구성 - - cm 크기의 다공성 몸에 그물 마이크로 미터 크기의 먼지 입자의 응집으로 시작합니다. 잘 공부하고 적합한 실험실 아날로그 자료 (표 참조 이론적 인 모델에 더 나은 비교를 위해 단 분산 구형 입자의 형태뿐만 아니라, 0.5 ~ 10 ㎛ 범위의 크기 분포와 불규칙한 모양의 파우더로 사용할 수 있습니다 그런가 2입니다 1과 그림 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> 그런가 2 단량체 알갱이 타입 </td><td style="width:96px;"> 제조업 자 </td><td style="width:119px;"> 입경 </td><td style="width:95px;"> 입자 형상 </td><td style="width:100px;"> 예를 들어 그림 </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> 단 분산 </td><td> Micromod </td><td> 1.52 ± 0.06 &amp;# 181; m </td><td> 구형의 </td><td> 그림 1 (왼쪽) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> 다 분산 </td><td> 시그마 - 알드리치 </td><td> 0.1-10 μm의 </td><td> 불규칙한 </td><td> 그림 1 (오른쪽) </td></tr></tbody></table> 먼지 집계 충돌 실험에 사용의 SiO2 입자의 표 1. 특성. <img alt="그림 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> 단 분산 (왼쪽)와 다 분산 (오른쪽) 그런가 거시적 먼지 골재의 생산에 사용되는 2 입자의 그림 1. 전자 현미경 이미지. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <ol시작 = &quot;2&quot;&gt; <li> 마이크로 미터 크기의 SiO2 입자 용기 (표 1 참조)를 가지고 0.5 mm의 메쉬 크기의 체에 그 내용을 붓는다. 물질의 충분한 양을 체로 치고 금형에 계산 된 질량을 채운다. 샘플의 높이에 도달 할 때까지 손으로 피스톤으로 밀어 몰드에 재료를 압축 (예 5cm). 피스톤의 금형을 돌아베이스 플레이트를 열고 부드럽게 샘플을 누릅니다. 참고 : 샘플 (그림 3 참조) 여러 형태 (구형 및 원통형), 크기 (10 × 1 ㎜)과 기공 (60-85%)에서 생산 될 수있다. 샘플은 다음 충돌 실험에 개별적으로 이용되거나 후 다른 골재 나 클러스터 충돌 클러스터로 결합 될 수있다. </li></ol><img alt="그림 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 그림 2. 사진. 1cm, 2cm, 5 cm 직경 (뒷줄), 1cm 먼지 분야 2 cm 직경 (센터 행) 먼지 실린더 및 : 먼지 집계 샘플 크기와 모양의 변화 다음의 샘플이 표시됩니다 2~3밀리미터 크기의 알 2 O 3 분야 (앞). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <ol start="3"><li> 다공성 및 균질성에 대해 샘플을 특성화. 샘플은 외부 허용 여백을 내리는 경우에, 새로운 샘플을 생산하고 있습니다. <ol><li> 먼지 샘플의 다공성을 결정하기 위해, 정확한 균형에 의해 그 치수와 질량을 측정하여 그 양을 결정한다. </li><li> 동질성과 제작 샘플의 기공 크기 분포에 대한 정보를 얻기 위해 X-선 단층 촬영 (XRT) 12를 사용합니다. 참고 : 5cm 크기의 먼지 집계를 위해, 우리는 평균 볼륨이 사실상 차는 편차를 발견R, 시료의 질량 밀도의 비율과 샘플의 부피의 부피 내에 약 1 %의 단량체 분진 및 최대 의한 체적 충진 계수의 약간 큰 증가의 소재 밀도 즉 외부 경계 (12)를 향해 8 %. 그림 3 5 cm 직경 5 cm 높이의 원통형 먼지 집계를 통해 컷의 XRT 재건을 보여줍니다. 우리는 각 먼지 집계에 XRT를 사용하지만 임의의 시료의 내부 구조와 균일 성을 검사하지 않습니다. </li></ol></li></ol><img alt="그림 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> 5cm의 높이와 XRT 분석 후에 5 cm 직경의 원통형 먼지 집계 샘플의 내부 구성도 3. 재건. 계조는 t의 질량 밀도의 비율 인 체적 충진 인자를 나타내고,그 샘플링하고 단량체 먼지 입자의 소재 밀도. XRT 재건에서, 명확하게이 높은 다공성 샘플 mm 크기의 먼지 집계를 사용하여 조립 된 것을 볼 수 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> 드롭 탑 설치 2. 원리 <ol><li> 릴리스 메커니즘 : 드롭 탑의 상부에이 릴리스 메커니즘은 하나가 다른 하나의 위에 부착된다. 그들 각각의 샘플을 보유하고 자유 낙하에 출시. 상부의 방출과 하부 입자 간의 시간차는 충돌의 상대 속도를 결정한다. 형태학 및 입자 형상에 따라, 적절한 릴리스 메커니즘이 선택된다. 입자 가속기구가 사용되는 경우, 오직 하나의 분리 장치가 필요하다. <ol><li> 입자 - 온 - 문자열 분리 장치 (구형 샘플, UPP어 입자) 이 분리 장치는 선형 솔레노이드 자석과 고체 금속 카운터 조각으로 구성되어 있습니다. <ol><li> 문자열로 출시되는 입자를 부착합니다. 솔레노이드 자석과 고체 금속 카운터 조각 사이에 체결하여 장소에 문자열을 저장할. </li><li> , 입자 방출 솔레노이드 자석으로 전류를 적용 (영화 1 참조). </li></ol></li><li> 트랩 도어 분리 장치 (구형 샘플, 낮은 입자) 이 릴리스 메커니즘은 입자 홀더가 부착 된 로터리 솔레노이드 자석으로 구성되어 있습니다. <ol><li> 전류는 (영화 1 참조)을 적용 할 때, 회전 솔레노이드에 의해 하방으로 회전되고 반구형 몰드로 입자를 배치. </li><li> 이 메커니즘은 입자 클러스터 또는 집계 덩어리의 출시를 위해 사용될 수있다. 후자의 경우, (영화 2 참조)이 서로 상기 트랩 도어 해제 메커니즘을 탑재. </li></oL&gt; </li><li> 가위 형 이중 분리 장치 (원통형 샘플) 이 릴리스 메커니즘은 금속 막대가 연결되어 회전하는 솔레노이드 자석 2 켤레로 구성되어 있습니다. 각 방출기구의이 솔레노이드 자석이 금속봉이 평행하도록 배치된다. <ol><li> 각각 두 개의 평행 막대에 두 개의 샘플을 놓습니다. </li><li> 자유 낙하로 입자를 방출하는 두 개의 회전 솔레노이드에 전류를 적용합니다. (동영상 3 참조). </li></ol></li><li> (입자 가속 장치와 함께 원통형 샘플) 더블 윙 트랩 도어 분리 장치 : 이 릴리스 메커니즘은 함께 V-모양의 입자 홀더를 형성하는 두 개의 스프링이 장착 된 금속 플레이트로 구성되어 있습니다. 이 금속판은 로터리 솔레노이드 자석에 부착 된 금속로드에 의해 제자리에 유지된다. <ol><li> 폐쇄 트랩 도어에 원통형의 먼지 샘플을 놓습니다. </li><li> 적용하여 트랩 도어의 잠금을 해제솔레노이드 자석에 전류. 문의 바운싱 백을 방지하기 위해, 와전류 브레이크 (동영상 4 참조)를 중지합니다. 참고 : 초기 속도와 회전하지 않고 자유 낙하로 입자를 방출하는 것이 중요합니다. 이를 위해 여러 분리 메커니즘 (- 2.1.4 2.1.1)이 개발되었다. </li></ol></li></ol></li><li> 입자 가속 메커니즘 : 사전로드 된 스프링에 의해 또는 전기 자기 중심의 선형 단계로 하나 입자를 가속합니다. 두 가속기는 다른 모양의 입자 샘플 홀더를 장착 할 수 있습니다. </li> <li> 제어 전자 장치 : 타이머를 설정하고, 원하는 충돌 속도를 달성하기 위해 적절한 값으로 전자를 방출하고 질량 중심 프레임에서 카메라를 조작하기 위해. 참고 : 입자 방출, 입자 가속 및 카메라 릴리즈시기는 그 기능 M에 설명되어 전자 타이머의 설정에 의해 수행된다ovie 5. </li></ol> 3. 공연 실험 <ol><li> 저속 충돌 (작은 방울 타워) <ol><li> 가위 형 이중 해제 메커니즘과 가까운 진공 유리관에로드 샘플. </li><li> 대피를 시작하고 타이머 매개 변수를 설정합니다. </li><li> 자신의 자기 분리 장치에 카메라를 연결합니다. 연속 카메라 녹화를 시작합니다. 주 : 노광시 입자 운동을 무시할 수 있도록 인해 LED 명 시야 조명의 고강도로, 고속 카메라의 충분히 짧은 노광 시간이 선택 될 수있다. 그 꼭대기에, 카메라 목적의 f-스톱은 초점 심도 드롭 탑의 전체 직경 이상을 확장 할만큼 높은 값으로 설정해야합니다. </li><li> 원하는 진공 품질에 도달하면, 조명에 전환 시작 버튼을 누르고 이미지 시퀀스를 다운로드 할 수 있습니다. </li></ol></li><li> 높은 속도의 충돌 (굵은 타워) <ol><li> 이중 승리에로드 샘플G 트랩 도어 분리 장치 및 가속기와 진공 유리관을 닫습니다. </li><li> 대피를 시작하고 타이머 매개 변수를 설정합니다. </li><li> 연속 카메라 녹화를 시작합니다. 원하는 진공 품질에 도달하면, 조명을 켜고 시작 버튼을 누릅니다. 이미지 시퀀스를 다운로드합니다. 주 : 노광시 입자 운동을 무시할 수 있도록 인해 LED 명 시야 조명의 고강도로, 고속 카메라의 충분히 짧은 노광 시간이 선택 될 수있다. 그 꼭대기에, 카메라 목적의 f-스톱은 초점 심도 드롭 탑의 전체 직경 이상을 확장 할만큼 높은 값으로 설정해야합니다. </li></ol></li></ol> 4. 예 실험 <ol><li> 적절한 분리 장치에 조심스럽게 샘플을로드합니다. <ol><li> 저속 충돌 (이중 해제 메커니즘, 0.09 m / 초) : 수신 거부 5cm 대 5cm. 두 가위 형 방출 메커니즘에 대한 샘플을로드합니다. 에0.09 m / 초의 충돌 속도를 달성 제외한 입자 7mm를 배치하고 15 밀리 초에 릴리스 메커니즘의 시간 지연을 설정한다. 참고 :이 충격 속도에서 먼지 샘플은 충돌 후 서로를 반사. 이미지 시퀀스는 자유 낙하 고속 카메라 (영화 6 참조)에 의해 캡쳐된다. </li> <li> 고속 충돌 (전자 가속기, 7.4 m / 초) : 2cm 대 2cm, 조각. 이중 날개 트랩 도어 분리 장치에 하나의 샘플을로드합니다; 선형 단계 가속기의 샘플 홀더에 다른 샘플을 놓습니다. 주 : 동시에 상부 먼지 집합체 떨어지는 동안 7.4 m / 초의 충돌 속도를 달성하기 위해, 하부 먼지 집계 매끄럽게 2g으로 상향 가속된다. 7.4 m / sec의 상대 속도로, 먼지 샘플 단편 (동영상 7 참조). </li> <li> 큰 집계에 작은 골재의 고속 충돌 : 0.5 cm 대 5cm, 물질 전달. 부하 일가위 형 분리 장치 상에 전자 큰 샘플; 봄 가속기의 샘플 홀더에 작은 샘플을 놓습니다. 주 : 동시에 상부 먼지 집합체 떨어지는 동안 물질 전달에 필요한 충돌 속도를 달성하기 위해, 하부 먼지 집계 원활 상방 가속된다. 이러한 상대 속도에서, 작은 샘플 조각 및 큰 샘플 상 교체 질량 소량. 카메라 상부 (더 거대한) 파티클을 따라 내려 가면, 고속 카메라로 촬영 한 이미지는 외측에서 본 진실하지 않다, (영화 8 참조) 다소간 나머지에 큰 입자의 인상을주는 드롭 탑. </li></ol></li><li> 진공 유리관을 닫습니다. </li><li> 조심스럽게 천천히 배출을 시작하고 원하는 충돌 속도에 대한 요구 시차 타이머 매개 변수를 설정하는 펌프로 진공 밸브를 연다. </li><li> (자유 낙하 카메라를 사용하는 경우) 자신의 방출 장치에 카메라를 연결합니다.연속 카메라 녹화를 시작하고 조명에 전환합니다. </li><li> 원하는 품질의 진공에 도달하면, 타이머 시퀀스를 시작하기 위해 해제 버튼을 누른다. </li><li> 컴퓨터로 고속 카메라로 촬영 된 이미지 시퀀스를 다운로드. </li></ol> 5. 데이터 분석 <ol><li> 배경과 오브젝트의 회색 값의 적절한 임계 값 회색 값을 선택했다. 블랙에 낮은 회색 값 (이진 값 1) 흰색 픽셀로 임계 값 위의 회색 값을 가진 픽셀을 설정하여이 임계 값을 기반으로 바이너리 이미지 생성 (이진 값 0). </li><li> 이미지의 각 질량의 입자 &#39;중심의 위치를​​ 확인합니다. 대칭 입자의 질량 중심을 결정하기위한 좋은 근사 투사 영역의 중심이다. 이것은 이진화 된 이미지에서 계산됩니다. </li><li> 계산하는 카메라 화상으로부터 대량의 객체의 중심의 상대 위치와 시각 정보를 사용상대 속도는 (영화 9 참조). 위치 곡선의 기울기는 영화 (9)의 우측 사이드에 도시되어있다. <ol><li> 리바운드 충돌의 경우에는, 상대 속도 이전과 접촉 후를 결정한다. 전에 충돌 후의 속도의 비율, 즉 반발 계수를 계산합니다. 반발 계수에 대한 상대 속도를 그린다. 이 분석의 일례가도 4에 도시된다. </li></ol></li></ol><img alt="그림 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> 충돌 튀는의 분석도 4. 예. 반발 계수는, 리바운드 속도 및 충격 속도의 비, 즉, 충돌 속도의 함수로서 플롯된다. 동그라미는 2cm의 diame의 구형 먼지 집계 데이터를 보여타 13 (그림 2 참조), 삼각형 5 cm 직경 5 cm 높이의 원통형 먼지 골재 사이의 충돌을 표시합니다 (그림 2 참조) 0.3과 0.4의 두 개의 서로 다른 볼륨을 채우는 요소는 각각 12. 데이터 증가에 미치는 영향의 속도와 반발 계수가 감소하는 경향을 보여줍니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a> <ol start="2"><li> 하나 또는 두 개의 입자를 조각하는 경우, 각각의 투영 면적을 측정하고 적절한 형태를 가정하여 가능한 가장 큰 조각의 많은의 크기를 결정합니다. <ol><li> 하나의 입자의 단편화가 발생하는 경우, 통상 살아남은 입자에 질량의 특정 양을 전송한다. 대량 transfe을 계량하는 적절한 형상 및 기공률을 가정 차감 체적을 측정함으로써 전송 질량의 양을 결정R 효율성. </li></ol></li></ol>

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</ol>

우리는 공개할 것이 없습니다.

인해 높은 기계적 정밀도, 두 방울 타워 실패율이 매우 낮다. 샘플 준비는 크기, 모양 및 원하는 먼지 집계의 다공성에 따라 몇 시간이 걸릴 수 있기 때문에 이것은 매우 중요합니다. 그것은 매우 높은 다공성 큰 먼지 집계, 따라서, 처리하기 어려운 충격에와 있음을 언급해야한다. 이들 먼지 집계 드롭 타워에 곰팡이 또는 전송 오프 추출하는 동안 휴식하는 것이 발생할 수 있습니다. 이러한 경우, 새로운 샘플이 준비되어야한다. 따라서, 작은 방울 타워 신뢰성 (예측 가능한) 충돌 속도 아래로 0.01 m / 초 11,13 할 수 있도록하는 것이 중요합니다. 지금까지 달성 낮은 충돌 속도는 0.004 m / 초였다. 이러한 작은 충격 속도는 미세 중력 환경에서 무료로 입자에 도달 할 수 있습니다. 실험실 드롭 탑은 미세 중력 시설의 저렴하고 다양한 실현. 교류 직류낮은 충격 속도가 (전자 또는 공기 역학적으로 부상 예) 그러나 일반적으로 충돌 해석에서 고려되어야 충돌 입자 사이의 힘을 유도 부상 기법 14,15 활용 달성하는 방법을했습니다. 또한, 공중 부양 종종 원하지 않는 경우, 회전 무 충돌을 허용하지 않지만, 다른 한편으로는, 회전에도 입자 간 충돌의 현실적인 시뮬레이션을 허용 할 수, 회전 운동 (14)을 유도한다. 공기 역학적 부상의 경우에는, 충돌시 공기 쿠션 효과는 원시 행성계 디스크에 일치하지 않는 원치 않는 상황을 유도 할 수 있습니다. 그것은 시간 제한이 필수적인 경우 드롭 타워 대안 간주 갖도록 그러나 부상 무제한 관측 시간 및 반복 실험을 허용한다. 우리의 모든 노력은 지금까지 지상파 행성 형성 R의 규산염의 대표 그런가 2에 집중되어젊은 태양 광 시스템의 egion. 원시 행성계 디스크의 질량의 대부분을 물 얼음의 응결 점 이상으로 농축되기 때문에, 그것은 또한 μm의 크기의 H 2 O-얼음 입자로 이루어진 응집체의 충돌 동작을 연구하기 위해 필수적이다. 우리는 현재 이러한 목적을 위해 극저온 진공 드롭 타워를 설정하는. 이 같은 시뮬레이션 실험에서 온도가 아래의 &quot;눈 라인&quot;물이 수증기에 내부 영역을 분할 원시 행성계 디스크에있는 소위 &quot;눈 라인&quot;(의 온도 ~ 150 K,해야한다는 지적해야 가) 고체 얼음으로 발견 된 외부 지역에서의 위상. 우리는 μm의 크기의 물 - 얼음 입자의 형성이 가능하고 우리는 다음 1-2년 내에서 충돌 행동에 첫 번째 결과가 낙관적 있도록 집계 이들의 16을 생성 할 수 있다는 것을 보여 주었다.

그것은 일반적으로 행성의 형성 (블룸 &amp; WURM의 검토 참조) 1 큰 먼지 집계에 현미경으로 작은 먼지 입자의 비 중력의 축적으로 시작하는 것이 허용됩니다. 먼지 입자에 의한 브라운 운동, 상대 드리프트 운동, 그리고 성운 가스의 난류에 자신의 원시 행성계 디스크에서 충돌 (등 요한센의 검토를 참조하십시오.) 2. 충돌 속도가 충분히 낮은 경우에, 먼지 입자는 큰 응집체를 형성하기 위해 함께 붙어. 지난 몇 년 동안 실험실 측정의 재산 임의의 질량과 충돌 속도 3 먼지 집계 한 쌍의 결과를 예측하는 먼지 집계 충돌 모델을 이끌고있다. 기본 충돌하는 작은 결과, (작은 총 질량과 낮은 충돌 속도에 대한 일반의) 고집 수신 거부 및 조각 (높은 충격 속도에 대한) 있습니다. 그러나 이러한 단계 간 전환이 선명하지 않은 경우 등이 있습니다결과처럼, 예를 들어, 물질 전달 또는 침식. 일반적인 원시 행성계 디스크에이 모델을 적용하면 몇 천 년 안에 4 cm 크기의 먼지 집계의 성장을 예측하고있다. cm 크기의 먼지 집계의 존재는 광범위하게 지난 몇 년 동안 천문 관측에 의해 조사되어 설립으로 지금 우리가 결론 5 그래서 (기준 간증 등. 리뷰 참조)로 간주 될 수있는 원칙 메커니즘을하는 첫 번째 매크로 몸 젊은 행성 시스템의 형태는 확인되었습니다. 그러나, 적어도 킬로미터 크기의 몸에 더 성장은 그렇게 명확하지 않다. 지상파 행성 지구를 위해, 두 가지 가설은 현재 (.. 또한 요한센 등으로이 문제에 대한 최근의 리뷰 2와 간증 등 5 참조) 논의 기준 : cm 크기의 먼지 집계 (I)의 농도, 예를 들어, 스트리밍 불안정 6 이후 gravitational 붕괴 7,8 및 대량 전송 프로세스 9,10,11에 의한 후속 질량 증대와 더 큰 크기에 약간의 &quot;운이 승자&quot;의 (II) 성장. 두 모델 모두에서, cm 크기의 먼지 집계 적당한 속도로 낮은에서 상호 충돌의 거대한 수를 받고있다. 그것은 (수신 거부 외에)이 충돌의 가능한 결과가 무엇인지 명확하지 않다. 게걸 장이 등. (3)에 의해 먼지 집계 충돌 모델을 개선하고 관련 속도 정권의 거시적 먼지 집계 사이에 더 자세히 충돌을 조사하기 위해, 우리는 어떤 개별 집계 집계 충돌 할 수있는, 우리의 실험실에서 두 개의 드롭 타워를 설정 진공과 미세 중력 상태에서 아주 상세하게 연구 될 수있다. 두 드롭 타워는 관측 시간 ~ 0.5 초를 제한 1.5 m의 자유 낙하 높이를 가지고있다. 따라서, 우리는 고속 메가 픽셀 포맷 카메라와 초당 7,500 프레임으로 충돌을 관찰합니다.최대 콘트라스트 및 높은 기록 속도의 경우, 명 시야 조명을 선택한다. 조명 따라서 강도 높은 LED 패널을 제공하고 확산 화면으로 균질화된다. 따라서, 고속 카메라는 충돌 먼지 조명 화면 앞에 어두운 객체를 집계 볼. 깜박 거림을 방지하기 위해, LED는 DC 전원이 공급됩니다. 낮은 충돌 속도를 달성하기 위해,이 먼지 집계 이중 해제기구에서 서로 위에 배치된다. G로, V = GT의 상대 속도의 낮은 한 결과 전에 상단 집계에게 t의 시간을 해제 = 9.81 m / 초 2 지구의 중력 가속도되고. 두 방향으로 떨어져 90 °의 충돌을 보려면 2 개의 고속 카메라는, 일반적으로 두 개의 먼지 집계 사이에 출시되는 (일반적으로 상부 입자 후 / 2 T). 카메라는 카메라의 영향에 의해 종료되는 연속 기록 모드에서 실행모래 양동이에 홀더. 이 작동 모드에서 최대 프레임 속도는 메가 픽셀 해상도에서 초당 1,000 이미지입니다. 이 설정으로, m / 초를 달성 한 0.01 아래로 아래로 속도. 인해 이중 분리 장치의 기계적 설정의 한계, 최대 상대 충돌 속도는 ~ 3m / 초이다. 크기가 최대 5 cm와 먼지 집계를 포함하는 충돌이 드롭 타워에서 조사되었다. 높은 충돌 속도를 위해 원활하게 먼지가 수직 상 방향으로 5m / 초까지 집계 가속 할 수있는 전자 가속기가 장착되어 ~ 10m / 초, 두 번째 드롭 탑이 사용에. 다른 먼지 집계는 두 날개 트랩 도어 분리 장치에 의해 개최되며, 주어진 시간에 자유 낙하로 회전 프리를 출시 할 수 있습니다. 여기서, 자유 낙하 카메라를 사용하는 의미가 없다. 우리는 오히려 두 번째와 메가 픽셀 당 최대 7,500 프레임으로 두 개의 고정 고속 카메라를 사용합니다. 때문에 큰 diamet에이 드롭 탑의 어 먼지 (그리고 아마도 이상) 크기 10cm 사용할 수 있습니다까지 집계합니다.

<table><tbody><tr><td>단분산 SiO2 입자</td><td>Micromod</td><td>43-00-153</td><td>입자 직경 1.52 ≥ 0.06 μs; m; 입자 모양</td></tr><tr><td>구형 Polydisperse SiO2 입자</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>입자 직경 0.1 &ndash; 10 & 마이크로; m; 입자 형상 불규칙</td></tr></tbody></table>

초기 태양계에서 먼지 집계 충돌 실험 시뮬레이션 실험실 드롭 타워

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

초기 태양계에서 먼지 집계의 발전을 조사의 목적을 위해, 우리는 최대 크기가 깨지기 쉬운 먼지 집계 ~ 70 % 최대 10 ㎝, 기공이 충돌 할 수있다 할 수있는 두 개의 진공 드롭 타워를 개발했다. 드롭 타워 중 하나는 주로 아래 M 0.01 이하 / 초 매우 낮은 충격 속도에 사용되는 더블 분리 장치의 사용을하게됩니다. 충돌은 두 개의 먼지 응집체 질량 중심 프레임에서 유리 진공관을 따라 하강이 고속 카메라에 의해 입체 시청 기록된다. 다른 자유 낙하 타워 부드럽게 최대 5m / 초에 먼지 집계를 가속화 할 수있는 전자 가속기를 사용합니다. 자유 낙하에 또 다른 먼지 집계의 출시와 함께, 충돌이 ~ 10m / 초를 달성 할 수있는 최대 속도. 여기서,이 고정 고속 카메라는 충돌 사건을 기록한다. 그들은 무게가 있고 일치하도록 모두 드롭 타워에서 먼지 집계는 충돌시 자유 낙하에 있습니다초기 태양계의 조건.

(도 1-3 참조) 프로토콜에 기재된 잘 특성화 먼지 집계 샘플 사용, 실험실 드롭 타워 중 하나에서 관찰 어떠한 충돌 원시 행성계 디스크의 유사 충돌의 결과에 과학적으로 가치있는 정보를 얻을 것이다. 우리는 지금까지 체계적으로 2cm의 충돌 결과 사이 요인을 채워 볼륨 (크기의 원통형 먼지 집계 m / 초 13 0.008과 2.02 사이에 5 ㎝의 속도 범위 (용량 0.5의 요소를 채우는) 구형 먼지 집계 크기를 조사 하였다 속도 범위에서 0.3 ~ 0.5) M 0.004 사이의 2 / 초 12. 우리는 아래에 속도 ~에 대한 지배의 결과로 먼지 집계 사이에 수신 거부 발견 먼지 집계의 두 가지 유형 0.4 m / 초 (예를 들어 영화 6 참조). 도 4에서,이 튀는 충돌의 반발 계수가 도시되어있다. 원은 2 실험을 표시cm 크기의 구형 샘플 (13)와 삼각형이 두 개의 서로 다른 패킹에 5cm 크기의 먼지 실린더 사이의 충돌의 결과를 나타내는 것은 12 밀도를. 개별 실험의 반발 계수가 널리 분산되지만, 반발 계수의 평균값은 증가 충돌 속도로 감소한다. 두 먼지 집계는 일반적으로 (예를 들어 영화 7 참조) ~ 1m / 초 이상의 속도에 미치는 영향에 조각입니다. ~ 0.4 ~ 1m / 초 사이의 속도를 들어, 하나의 두 충돌 먼지 집계의 단편화가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 비 단편화 먼지 골재 물질 전달 (13)에 의해 대량의 몇 %를 얻는다. 상기의 속도 제한은 선명하지 않지만 다른 정권 사이의 경계가 2,11 거짓말의 위치를 대략적으로 나타냅니다. 먼지 크기가 서로 다른 단위 및 중간 속도 사이의 충돌의 경우, 영향은 일반적으로 t을 이끌 수 없습니다<html> 오 두 먼지 집계의 더 큰 조각. 반대에, 큰 시체 작은 impactors (동영상 8 참조)의 질량의 일부의 이동에 의하여 그 질량을 증가시킨다. 이 먼지 집합체가 서로 떨어져 반송되는 경우를 위해, 병진 운동 에너지의 전달은 충돌 전에 (병진 운동 에너지의 회전 운동 에너지 및 기타로 (먼지 응집체가 충돌하기 전에 회전하지 않는 것을 꺼리는) 소산) 에너지 채널 (먼지 집계 예를 들어 압축)을 결정할 수있다. 우리는 소산 에너지의 상대적 양이 강하게 증가 속도로 증가하고 먼지의 낮은 볼륨 충전 요인에 대한 높은 12를 집계 중앙 충돌을 (하는 회전 에너지는 무시 될 수있다) 것으로 나타났습니다. 이 문제는 분자 역학 시뮬레이션 (12)에 의해 모델링 할 수 있습니다. ttps는 :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;대상 =&quot;_blank &quot;&gt; 영화 1. 입자 - 온 - 문자열 (의 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상 상단)와 트랩 도어 분리 장치 (아래). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">영화 2</a> . 더블 트랩 문 분리 장치의 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상. 두 샘플로 인해 발매 중 매우 낮은 방해로 자유 낙하하는 동안 밀폐 된 상태로 유지 된 직경 2 mm의 알 2 O 3 입자의 덩어리입니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">영화 3</a> . 가위 형 이중 분리 장치의 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">영화</a>4. 고속 더블 윙 트랩 도어 분리 장치의 영화 (다시 슬로우 모션 재생). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">영화 5</a> . 상하 분리 장치뿐만 아니라 자유 낙하에 카메라의 출시를 전환 타이머 전자의 애니메이션. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">영화 6</a> . 두 5cm 크기의 먼지가 집계 실린더 사이의 수신 거부의 충돌 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상. 두 먼지 집계는 가위 형 이중 해제 메커니즘에 의해 발표 및 0.09 m / sec의 속도로 충돌하고 있습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">영화 7</a> . 두 2cm 크기의 원통형 먼지 집계 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상 collidi7.4 m / sec의 상대 속도로 겨. 두 집계가 완전히 조각. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">영화 8</a> . 5cm 크기의 원통형 고체 목표에 영향을 미치는 5mm 크기의 먼지 골재 (다시 슬로우 모션 재생) 고속 동영상. 4.3 m / 초의 충돌 속도는 작은 먼지 골재의 분열 속도 이상으로,이 영화에서 명확하게 볼 수 있습니다 대상에 떨어져 및 전송 질량의 일부를 중단합니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">영화 9</a> 반자동 입자 추적 알고리즘에 의한 입자의 궤적. 결정. 여기, 두 2cm 크기의 구형 먼지 골재 사이의 충돌이 표시됩니다.

우리는 실험실에서 깨지기 쉬운 먼지 골재 사이의 중간 속도의 충돌에 낮은 속도를 달성 할 수있는 방법을 제시한다. 이 목적을 위해, 두 개의 진공 드롭 탑의 설정이 허용하는 개발 된 &lt;0.01 ~ 10m / 초 사이의 충돌 속도. 충돌 이벤트는 고속 이미징에 의해 기록된다.

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 ...

본 실험 절차의 전반적인 목적은 초기 태양계 내 먼지 응집체 간의 충돌을 실험적으로 모사하여 행성 형성의 초기 단계를 이해하는 것입니다. 이를 위해 먼저 초기 태양계의 먼지 입자를 나타내는 두 개의 다공성 먼지 응집체를 준비합니다. 다음 단계로, 미세 중력 조건에서 먼지 응집체 간의 충돌이 발생하도록 설정된 실험실 낙하 탑 중 하나에 두 먼지 응집체를 모두 삽입합니다.다음으로 실험을 수행하며, 고속 카메라를 사용하여 두 먼지 응집체 사이의 충돌을 기록합니다. 마지막 단계는 에너지 손실, 질량 전달 및 먼지 응집체의 파편화를 중심으로 충돌의 고속 촬영 기록을 분석하는 것입니다. 궁극적으로 이러한 결과는 초기 태양계의 먼지 응집체 충돌에 대한 물리적 모델을 개발하는 데 사용되며, 이는 행성 형성의 초기 단계 모델링에 필수적입니다.이 방법은 행성 구성 물질의 충돌 결과와 같이 행성 형성 분야의 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 저희는 취약한 먼지 응집체들 사이에서 매우 낮은 속도의 충돌을 다수 수행할 수 있는 수단을 찾던 중 처음으로 이 방법의 아이디어를 얻었습니다. 기존의 상용 미세중력 시설과 같은 방법들과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은 실험실 내에서 더 빈번하게 실험을 수행할 수 있으며 비용 효율적이라는 점입니다.준비된 시료가 매우 취약하여 시료 준비 단계를 학습하기 어렵기 때문에, 이 방법의 시각적 시연이 매우 중요합니다. 우선, 다음 식을 사용하여 원하는 모양에 필요한 재료의 양을 계산하십시오. 충분한 양의 재료를 0.5 millimeter 메쉬 C로 체질한 후, 계산된 질량만큼 몰드에 채우십시오.그런 다음 피스톤을 손으로 밀어 몰드 내부의 재료를 시료의 높이가 5 cm가 될 때까지 압축합니다. 마지막으로 몰드를 거꾸로 뒤집습니다. 베이스 플레이트를 열고 피스톤으로 시료를 조심스럽게 밀어냅니다.구형 상부 입자 시료의 경우, 스트링 기반 입자 방출 기작을 사용하십시오. 이러한 방식의 방출 설정을 위해서는 방출할 입자를 스트링에 부착해야 합니다. 이 작업은 스트링 통과용 통로가 있는 피스톤을 사용하여 시료를 압축하는 동안 수행됩니다.구형 하단 입자 시료의 경우, 솔레노이드 자석과 고체 금속 카운터 피스 사이에 실을 고정하여 위치를 유지하십시오. 트랩 도어 해제 메커니즘을 사용하십시오. 먼저 입자를 반구형 몰드에 넣는 것으로 시작하십시오.적절한 시점에, 이후 설명할 상부 해제 메커니즘의 솔레노이드 자석에 전류를 가합니다. 구체 클러스터와 같이 더 복잡한 배열을 검사할 때는 회전 솔레노이드를 사용하여 트랩 도어가 아래로 회전하도록 전류를 가하며, 이때 두 개의 트랩 도어 해제 메커니즘을 서로 위아래로 설치합니다. 원통형 시료의 경우, 두 트랩 도어 메커니즘의 장전이 완료되면 적절한 시점에 전류를 가하여 시료를 해제합니다.시저형 이중 릴리스 메커니즘을 제자리에 장착합니다. 그런 다음 원통형 시료를 릴리스 플레이트 위에 조심스럽게 놓습니다. 이전과 마찬가지로 솔레노이드 자석에 전류를 가하여 시료를 릴리스합니다.단순 자유 낙하 대신 시료를 가속해야 하는 경우에는 전자기 구동 선형 스테이지와 같은 입자 가속 메커니즘을 사용하십시오. 입자 가속과 병행하여 원통형 시료를 테스트할 때는 더블 윙 트랩 도어 방출 메커니즘을 사용하십시오. 닫혀 있는 트랩 도어 위에 원통형 분진 시료를 놓으십시오.그런 다음 솔레노이드 자석에 전류를 가해 트랩 도어를 엽니다. 와전류 브레이크가 도어가 샘플 쪽으로 다시 튀어 오르는 것을 방지하여 저속 충돌을 구현하는 것을 확인하십시오. 속도는 0.09 meters per second입니다.1cm 입자 하나를 실에 매달린 입자 기구에 놓고, 다른 1cm 입자 하나를 트랩 도어 방출 기구 내 7mm 떨어진 곳에 배치합니다. 그런 다음 진공 유리관을 닫습니다. 진공 펌프로 연결되는 밸브를 조심스럽게 열어 유리관 내부의 공기를 천천히 배출하기 시작합니다.다음으로, 방출 메커니즘의 시간 지연을 9 ms로 설정하십시오. 이는 상단 분진 응집체가 먼저 방출되고 9 ms 후에 하단 입자가 방출됨을 의미하며, 카메라는 그 사이에 방출됩니다. 이어서 카메라를 각각의 방출 유닛에 장착하고 조명을 켭니다. 그런 다음 연속 기록을 시작하십시오.1 millibar 미만의 원하는 진공도에 도달하면, 릴리스 버튼을 눌러 타이머 시퀀스를 시작하고 실험이 완료되면 고속 카메라로 기록된 이미지 시퀀스를 컴퓨터로 다운로드하십시오. 먼저 하나의 시료를 더블 윙 트랩 도어 릴리스 메커니즘에 적재하고, 다른 하나를 리니어 스테이지 가속기의 시료 홀더에 적재하여 고속 충돌을 위한 직경 5 cm, 높이 5 cm의 원통형 시료 두 개를 준비하십시오. 시료가 배치되면, 이전과 같이 유리관을 밀봉하고 진공 밸브를 열어 관 내부의 공기를 제거함으로써 챔버를 준비하십시오.그 다음, 원하는 조건에 따라 방출 메커니즘과 선형 가속기의 타이밍을 설정하십시오. 이어서 적절한 조명을 켜고 고속 카메라로 기록을 시작하십시오. 0.01 millibar 미만의 원하는 진공도에 도달하면, 방출 버튼을 눌러 충돌을 시작하십시오.이전과 동일하게 다양한 크기의 응집체에 대해 카메라로 기록된 이미지 시퀀스를 다운로드하십시오. 큰 시료를 방출 장치에 장착한 다음, 작은 시료를 가속기의 시료 홀더에 배치하십시오. 단분산 구형 및 다분산 불규칙 실리카 입자의 이러한 전자 현미경 이미지는 실험실 낙하 탑 실험에 사용된 시료의 물리적 특성을 보여줍니다.먼지 응집체는 지름 1cm, 2cm, 5cm의 먼지 원통과 지름 1cm, 2cm의 먼지 구체를 포함하여 다양한 샘플 크기와 모양으로 제작할 수 있습니다. 또한, 원통형 먼지 응집체 샘플의 내부 구조를 X선 단층 촬영 재구성으로 분석하여 2~3mm 크기의 발광 구체 클러스터를 사용할 수 있습니다. 이 고다공성 샘플은 밀리미터 크기에서 먼지 크기의 응집체들을 사용하여 조립되었음을 명확하게 확인할 수 있습니다.그레이 스케일은 부피 충전율, 즉 시료의 질량 밀도와 단량체 분진 입자의 재료 밀도의 비율을 나타냅니다. 충돌 전후의 속도를 도출하기 위해 시간에 따른 입자 위치를 추적하여 반발 충돌 속도를 분석하였습니다. 이 값들의 비율을 반발 계수라고 하며, 이는 충돌 시의 에너지 손실을 설명합니다. 분석된 반발 계수를 충돌 속도에 따라 도식화하였습니다.구형 먼지, 응집체 및 원통형 먼지 응집체 간의 충돌 데이터는 충격 속도가 증가함에 따라 반발 계수가 감소하는 경향을 보여줍니다. 숙달되면 이 기술은 적절히 수행했을 때 한 시간 내에 완료할 수 있습니다. 마이크로미터 크기의 입자를 다루는 것은 매우 위험할 수 있으므로, 실험 과정 중에는 보호 마스크, 장갑 및 이와 같은 배기 후드와 같은 예방 조치를 항상 취해야 합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

여기에 설명 된 고압 및 고온 실험 행성 내부 분화 과정을 모방. 공정은 고해상도 3D 이미징 및 정량적 화학 분석에 의해 시각 나은 이해된다.

행성 내부의 분화의 시뮬레이션 실험실에서 처리

반발 계수는 충돌시에 운동 에너지의 손실을 설명하는 매개 변수이다. 여기서, 진공 조건에서 자유 낙하 설치 높은 충격 속도와 마이크로 미터 범위의 입자 반발 파라미터의 계수를 결정할 수 있도록 개발되고있다.

진공 조건에서 반발 계수의 측정을위한 실험 장치 개발

이 글에서, 실험 프로토콜을 제시 마모에 따라 환경 풍화에 따라 제품의 입자 에어로졸을 조사합니다. 에어로졸의 형태로 설계 나노 물질의 방출에 결과가 표시됩니다. 구체적인 실험 장치를 상세히 설명한다.

실험 프로토콜 마모에서 환경 풍화에서 제품의 입자 에어로졸을 조사하기

우리는 효과적인 나노 분말 에어로졸화 설정 및 운영 프로토콜을 설계하고 개발했습니다. 이 시스템은 장기간 동안 안정적인 수 농도와 크기 분포를 가진 나노 입자 에어로졸을 생성했으며, 소량의 테스트 재료(최소 200mg)만 필요했습니다.

시스템은 나노 분말에서 안정적인 나노 입자 에어로졸을 만드는 방법

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.

먼지가 충전 및 자외선 또는 플라즈마에 노출 표면에 동원의 실험 방법

우리는 바위와 싱크 로트 론 X-radiation과 함께 다 모 루 변형 기구 내에서 미네랄 집계에 압축 실험에 대 한 자세한 절차를 보고 합니다. 이러한 실험 궁극적으로 geomaterials에서 압축 프로세스에 빛이 나 고는 샘플 내에서 스트레스 분산의 정량화를 허용 합니다.

바위와 무기물 집계 싱크 로트 론 기반 x 선 회절을 사용 하 여 차가운 압축 하는 동안 스트레스 배포

최근 브레멘 드롭 타워의 미세 중력 환경에서 광전기 화학 반셀의 기능화된 반도체 전기 촉매 시스템에 효율적인 태양수소 생산이 실현되었습니다. 여기서, 반도체-전기촉매 장치를 제조하기 위한 실험 절차, 낙하 시 낙하 캡슐 내의 실험 설정 및 실험 서열에 대한 세부 사항을 보고한다.

미세 중력 환경에서 효율적인 태양 수소 생산을위한 실험 방법

이 프로토콜에서는 물 항목 실험 free-falling 분야에 대 한 기본 실험 구성을 보여 줍니다. 꿰 뚫을 수 직물 표면에 액체의 변경, 화학적으로 비 일로 분야의 준비에 대 한 방법 및 스플래시 시각화 및 데이터 추출에 대 한 단계는 설명 합니다.

Free-falling 분야 변경 및 충돌 표면 상태와 깊은 액체 수영장에의 영향

수치 및 실험 방법은 조밀하게 포장 된 입자의 개별 임의 의 매체에서 빛의 여러 산란을 위해 제시된다. 이 방법은 소행성 (4) 베스타와 혜성 67P / 추류 모프 - 게라시멘코의 관측을 해석하는 데 사용됩니다.

행성 레골리스에서 빛의 산란 및 흡수

이 프로토콜의 목표는 화학 정원 주입 실험을 통해 시뮬레이션 된 수열 굴뚝을 형성하고 교육 목적으로 재현 할 수있는 3D 인쇄 가능한 콘덴서를 사용하여 무기 침전 막에 걸쳐 열 그라데이션을 도입하는 것입니다.

열그라이드 환경에서 초기 지구 수열 굴뚝 시뮬레이션

배우세요 초기 태양계에서 먼지 집계체 충돌 실험을 진공 드롭 타워와 고속 카메라를 활용하여 시뮬레이션하는 방법입니다. 이 기법은 행성 형성의 첫 단계를 이해하는 데 필수적인 물리 모델 개발에 기여합니다.

초기 태양계에서 먼지 집계 충돌 실험 시뮬레이션 실험실 드롭 타워

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