초기 태양계에서 먼지 집계 충돌 실험 시뮬레이션 실험실 드롭 타워

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.