Methodenartikel

Experimentele methoden van stof opladen en mobilisatie op oppervlakken met blootstelling aan ultraviolette straling of plasma 's

DOI:

10.3791/57072

⸱

3 april 2018

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Stof opladen en mobilisatie wordt gedemonstreerd in drie experimenten met blootstelling aan thermisch plasma met bundel elektronen, bundel elektronen alleen of ultraviolette (UV) straling alleen. Deze experimenten presenteren het gevorderde begrip van elektrostatische stof vervoer en haar rol in het vormgeven van de oppervlakken van airless planetaire lichamen.

Samenvatting

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

Elektrostatische stof vervoer heeft zijn hypothetische om uit te leggen een aantal waarnemingen van ongebruikelijke planetaire verschijnselen. Hier wordt aangetoond welke stof deeltjes worden blootgesteld aan thermisch plasma met bundel elektronen, bundel elektronen alleen of ultraviolette (UV) straling alleen experimenten met behulp van drie onlangs ontwikkeld. De UV-lichtbron heeft een smalle bandbreedte in golflengte gecentreerd op 172 nm. De bundel elektronen met de energie van 120 eV worden gemaakt met een negatief beïnvloed warme gloeidraad. Wanneer de Vacuuemcel is gevuld met argon gas, ontstaat een thermisch plasma naast de elektronenbundel. Isolerende stofdeeltjes van een paar tientallen micron in diameter worden gebruikt in de experimenten. Stofdeeltjes zijn opgenomen om te worden lofted naar een hoogte tot een paar centimeter met een snelheid van lancering tot 1 m/s. Deze experimenten tonen aan dat de foto en/of secundaire electron emissie van een stoffige oppervlak het opladen mechanisme van stofdeeltjes verandert. Volgens de onlangs ontwikkelde "versteld gratis model", de uitgezonden elektronen opnieuw kunnen worden geabsorbeerd in microcavities tussen naburige stofdeeltjes onder het oppervlak, waardoor de accumulatie van verbeterde negatieve ladingen op de omringende stof deeltjes. De weerzinwekkende krachten tussen deze negatief geladen deeltjes kunnen worden groot genoeg om te mobiliseren en til hen van het oppervlak. Deze experimenten presenteren het gevorderde begrip van stof opladen en vervoer op stoffige ondergronden, en een basis gelegd voor toekomstige onderzoeken van haar rol in de oppervlakte evolutie van airless planetaire lichamen.

Inleiding

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

Airless planetaire lichamen, zoals de maan en asteroïden zijn bedekt met fijne stofdeeltjes regoliet genoemd. Deze airless organismen, in tegenstelling tot de aarde, zijn rechtstreeks blootgesteld aan plasma van de zonnewind en zonne-ultraviolette (UV) straling, waardoor de stof regoliet ten laste. Deze stofdeeltjes kunnen dus worden gemobiliseerd, lofted, getransporteerd, of zelfs uitgeworpen en verloren van het oppervlak door elektrostatische krachten in rekening gebracht. De eerste suggereerde bewijs van deze elektrostatische proces was de zogenaamde "lunar horizon gloeien", een aparte gloed boven de westelijke horizon waargenomen kort na zonsondergang door Surveyor 5, 6 en 7 ruimtevaartuig vijf decennia geleden (Figuur 1a)1, 2,3. Het heeft zijn veronderstelde dat dit gloed werd veroorzaakt door zonlicht verstrooid uit uit via een elektrostatisch proces lofted stofdeeltjes (5 μm radius) tot een hoogte < 1 m boven het oppervlak in de buurt van de maan terminator1,2,3. Elektrostatisch vrijgegeven fijn stof werd geopperd dat verantwoordelijk is voor de ray-achtige wimpels een hooggelegen gemeld door de Apollo-astronauten4,5te bereiken.

Sinds deze opmerkingen van Apollo, een aantal opmerkingen over andere airless lichaam ook gekoppeld aan de mechanismen van elektrostatische stof mobilisatie of lofting waren, ringen zoals de radiaal spaken in de Saturnus6,7, 8, de stof vijvers op asteroïde Eros (Figuur 1b)9 en de Komeet 67 P10, de poreuze oppervlakken aangegeven van de main-riem asteroïde spectra11, het ongebruikelijk gladde oppervlak van Saturnus van ijzige maan Atlas12, en de regoliet op de maan wervelingen13. Bovendien, kan de afbraak van de retroflectoren van de laser op het maanoppervlak ook worden veroorzaakt door de opeenhoping van stof via een elektrostatisch proces lofted14.

Laboratoriumonderzoek grotendeels voort uit de opmerkingen van deze ongebruikelijke ruimte om te begrijpen van de fysische processen van het opladen van de stof en transport. Mobilisatie van de stof is waargenomen in verschillende plasma-omstandigheden, waarin zijn stofdeeltjes schuur uit van een glazen bol oppervlakte15,16, levitated in plasma omhulsels17, en opgenomen om verder te gaan als dirigent en isolerend oppervlakken18,19,20,21. Het bleef echter slecht begrepen hoe stofdeeltjes krijgen groot genoeg kosten worden lofted of gemobiliseerd. De metingen van de heffingen op individuele stofdeeltjes op een glad oppervlakte22 en de gemiddelde dichtheid van de lading op een stoffige oppervlak23 ondergedompeld in plasma's blijkt dat de kosten veel te klein voor stofdeeltjes worden lofted of gemobiliseerd.

In de voorafgaande theorieën16,24,25, was het opladen alleen overwogen optreden op de bovenste oppervlakte laag die rechtstreeks is blootgesteld aan UV- of plasma. Kosten worden vaak beschouwd als gelijkmatig worden verdeeld over het gehele oppervlak van de stoffige, dwz., elke afzonderlijke stof deeltjes verwerft de dezelfde hoeveelheid lading, beschreven door de zogenaamde "gedeelde kosten model"16. Echter, de kosten berekend op basis van dit model zijn veel kleiner dan de zwaartekracht alleen. Een gratis schommelingen theorie die goed is voor de stochastisch proces ten opzichte van de lichtstromen van elektronen en ionen aan het oppervlak16,24 een tijdelijke verbetering in de elektrostatische force geeft, maar het blijft klein in vergelijking met de zwaartekracht.

In deze paper, wordt elektrostatische stof lofting en mobilisatie gedemonstreerd met behulp van drie onlangs ontwikkeld experimenten26, die van belang zijn voor het begrijpen van de stof vervoer op de regoliet van airless planetaire lichamen zijn. Deze experimenten worden uitgevoerd in de voorwaarden van thermisch plasma met bundel elektronen, bundel elektronen alleen of UV-straling alleen. Deze experimenten tonen de geldigheid van de onlangs ontwikkelde "gepatched gratis model"26,27, in welke microcavities gevormd tussen naburige stofdeeltjes onder het oppervlak kan opnieuw absorberen de uitgestoten foto en/of secundaire elektronen, het genereren van grote negatieve kosten op de oppervlakken van de naburige stofdeeltjes. De weerzinwekkende krachten tussen deze negatieve ladingen kunnen groot genoeg te mobiliseren of op te heffen uit de stofdeeltjes worden.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Vacuuemcel setup

  1. Plaats een isolerende rubber vel (0,2 cm dik, 5 cm diameter) met een gat in het midden 1.9 cm diameter op een isolerende plaat (2 cm dik en 20 cm in diameter) (Figuur 2a, b). Laden van isolerend, onregelmatig gevormde stofdeeltjes (tussen 10 en 50 micrometer in diameter) in het gat.
  2. Plaats de isolerende plaat op een metalen plaat staande in het midden van een vacuuemcel. Elektrisch isoleren de metalen plaat uit de zaal met behulp van keramische vulstukken.
  3. Inschakelen van de vacuüm pompen (een turbo pomp gesteund door een mechanische roughing pomp) te bereiken de basis druk van ~ 10-6 Torr. De demonstrerende experimenten worden uitgevoerd in een cilindrische roestvrij staal Vacuuemcel, 50 cm in diameter en 28 cm hoog (Figuur 2 c).
  4. De beweging van de stof en lofting met een videocamera op een regelmatige snelheid van 30 frames per seconde (fps) of een hoge snelheid (> 2000 fps) camera vastleggen. Gebruik van een LED licht met de maximum verlichtingssterkte gelijk aan > 500W incandesce licht om te zorgen voor voldoende licht op de stofdeeltjes voor goede kwaliteit video-opname.
    Opmerking: Het gebruik van het rubber is vanwege haar donkere kleur die de licht reflectie aan de camera minimaliseert. Licht-gekleurde stofdeeltjes moeten worden gebruikt voor het beter fotograferen vanwege de kleurcontrast met de donkere rubber oppervlak. De dikke isolerende plaat wordt gebruikt voor het elimineren van het effect van het elektrisch veld tussen het oppervlak van de isolerende plaat en metalen plaat op de stof opladen en mobilisatie. In deze demonstratie vormt en Mars simulant (JSC-Mars-1, gezeefd aan de gemiddelde diameter van 38-48 μm, massale densiteit van 1.9 g/cm-3 en grote samenstelling van SiO2 28) werden gebruikt, die lijkt op het algemene regoliet stof van airless organen in de binnenste zonnestelsel. Verschillende andere types van isolerend stofdeeltjes werden ook getest, zoals lunar simulant (JSC-1), lunar simulant highland (LHT) en pure silica-stof.

2. Gasbedwelming met behulp van thermisch plasma met bundel elektronen

  1. Hechten van een thoriated wolfraam-gloeilamp (0,1 mm dik en ~ 3 cm lang) naar een elektrode feedthrough en installeer het op de bovenkant van de kamer. Vervolgens de zaal tot de basis druk pomp.
  2. Vul de Vacuuemcel met argon gas aan de druk van ~ 0,5 mTorr.
  3. Zet de voedingen en instellen van de bias spanning-120 V op de gloeidraad.
  4. Verhogen van de spanning van de verwarming aan de huidige verwarming ~ 2A totdat de huidige uitstoot een gewenste waarde (een paar mA bereikt). Energetische elektronen met de energie van 120 eV zal door de gloeidraad worden uitgestoten.
    Opmerking: Deze beam-achtige primaire elektronen van invloed zijn neutraal argon atomen, waardoor ze worden geïoniseerd en het creëren van een plasma met de temperatuur van een elektron ongeveer 2 eV. Een groot deel van de primaire bundel elektronen bereikt direct het stoffige oppervlak zonder botsingen met neutrale atomen. Stofdeeltjes zijn daarom blootgesteld aan zowel de thermisch plasma en bundel elektronen.
  5. Om aan te tonen de rol van energetische bundel elektronen in de stof vervoer, door een alternatieve bewerking van het creëren van een thermisch plasma boven stofdeeltjes te gebruiken.
    1. Zet een alternatieve gloeidraad in de bodem van de kamer met de bias spanning -40 V en emissie huidige tot 400 mA (Figuur 2a). De primaire elektronen door de gloeidraad uitgestoten zal worden tegengehouden door de metalen plaat onder de beledigende plaat waarop de stofdeeltjes (Figuur 2a, b rusten).
    2. Variëren de uitstoot huidige het elektrische veld boven het oppervlak te wijzigen. Hogere stroom maakt hogere dichtheid van het plasma, dunner schede en dus grotere elektrisch veld.

3. blootstelling aan straling elektronen alleen

  1. Het experiment instellen zoals beschreven in de bovenstaande experiment met behulp van de bovenste gloeidraad.
  2. Inschakelen van de bovenste gloeidraad onder de basis druk 10-6 Torr (dwz., geen argon gas gevoed in de zaal). Geen plasma wordt gemaakt terwijl alleen de 120 eV bundel elektronen uit de gloeidraad bombard de stofdeeltjes uitgestoten.
  3. De gloeidraad in twee verschillende modi werken.
    1. Instellen van de bias spanning te-120 V, dan de verwarming spanning verhogen totdat de huidige uitstoot een paar mA bereikt.
    2. Verhogen van de spanning van de verwarming te bereiken van een gewenste verwarming huidige ~ 2 A, dan verhogen de bias spanning van 0 V geleidelijk aan-120 V te stoten elektronen met een stroom van de emissie van een paar mA.

4. Gasbedwelming met behulp van UV-straling alleen

  1. De bovenste gloeidraad vervangen door een UV-lamp (Figuur 2b) en de pomp naar beneden van de kamer aan de basis van de druk. Gebruik een xenon excimer Osram lamp, die het UV-licht van 172 nm golflengte uitzendt. De overeenkomstige foton-energie is 7,2 eV, groter is dan de functie van het werk van het oppervlak van de stof (~ 5,5 eV) om het uitzenden van photoelectrons.
    Let op: Kortere golflengte UV die uitstraalt van de hogere energie fotonen verwachting maken meer kosten op de stofdeeltjes en daarom meer mobilisatie, gebaseerd op de herstelde gratis model26,27.
  2. Schakel de UV-lamp te stralen van stofdeeltjes. In de demonstratie, het foton bestralingssterkte is 40 mW/cm-2 bij de UV-bron en ~ 16 mW/cm-2 aan het stoffige oppervlak.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Een reeks experimenten werden uitgevoerd met behulp van de bovenste of onderste filamenten. Met de bovenste gloeidraad setup, het hoppen van de stofdeeltjes werd opgenomen (Figuur 3a). Daarentegen bleef de stofdeeltjes in rust bij het gebruik van de gloeidraad van de bodem. Het is gemeten dat de verticale elektrisch veld aan de oppervlakte ongeveer dezelfde (16 V/cm) in beide experimenten onder de voorwaarden omschreven in Protocol stap 226 ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Voor decennia bleef het probleem van het vervoer van de elektrostatische stof op de regoliet van airless organen een open vraag hoe regoliet stofdeeltjes voldoende grote kosten krijgen te worden gemobiliseerd of lofted. Recente laboratorium studies-26,27 zijn fundamenteel gevorderd voor het begrip van dit probleem.

Hier, is het aangetoond dat drie onlangs ontwikkelde experimenten stof opladen en mobilisatie in thermisch plasma met bund...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit werk werd gesteund door de NASA/SSERVI Institute for Plasma Modeling, atmosferen en interstellair stof (IMPACT) en door de NASA zonne-systemen functioneren programma (verlenen van nummer: NNX16AO81G).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Vacuum chamberAnyNA
Vacuum electrode feedthroughLeskerEFT0113053
Tungsten filament (0.1 mm thick)GoodfellowW055250Thoriated
Power supply #1 (0-8V, 3A)AgilentE3610AOf equivalent
Power supply #2 (0-140V, 0.5A)AgilentE3612AOf equivalent
UV lampOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVOf equivalent
Dust sampleAnyMars or Lunar simulants of andere typenOnregelmatig gevormd, gezeefd, isolerend
Isolerende plaatAnyNADikt > 1 cm
RubberstrookAnyNADikt > 1 mm
MetaalplaatAnyNA
Keramische standsMcMaster94335A1301/2" diameter
Videocamera (consument)PanasonicHC-VX870Of equivalent
Videocamera (hoge snelheid)PhantomV2512> 1000 fps
LED-lampAnyNA> 500W Tungsten Equivalent

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , Springer. New York. 545-556 (1973).
  2. Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
  3. Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).
  4. McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991(1974).
  5. Zook, H. A., McCoy, J. E. Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere. Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).
  6. Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
  7. Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
  8. Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn's spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
  9. Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. The nature of ponded deposits on Eros. Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).
  10. Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17(2015).
  11. Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
  12. Hirata, N., Miyamoto, H. Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas. Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).
  13. Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls. Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).
  14. Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
  15. Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. Observation of dust shedding from material bodies in a plasma. J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).
  16. Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504(2006).
  17. Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath. J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408(2002).
  18. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow. J. Geophys. Res. 114, A05103(2009).
  19. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam. J. Geophys. Res. 115, A11102(2010).
  20. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
  21. Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting. Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).
  22. Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions. Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104(2007).
  23. Ding, N., Wang, J., Polansky, J. Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface. IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).
  24. Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501(2011).
  25. Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703(2016).
  26. Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. Dust charging and transport on airless planetary bodies. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).
  27. Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces. Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).
  28. Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).
  29. Martin, N. L. S., von Engel, A. The reflection of slow electrons from a soot-covered surface. J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).
  30. Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith. Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).
  31. Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment. New J. Phys. 12, 033036(2010).
  32. Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust. Astrophys. J. 761 (2), 108(2012).
  33. Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77(2013).
  34. Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. Experimental study of a photoelectron sheath. Phys. Plasmas. 19 (4), 043502(2012).
  35. Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
  36. Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Elektronenstraalvacu mkamerstofmobilisatiesecundaire emissieplasma expositieisolerende deeltjespatched charge modelelektrostatisch transport

Gerelateerde artikelen