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

Het algemene doel van dit experiment is om de mechanismen te tonen die ervoor zorgen dat regolith-stofdeeltjes in de ruimte of onder laboratoriumomstandigheden voldoende lading opbouwen om opgeheven of gemobiliseerd te worden. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van een belangrijke vraag over de rol van elektrische stoftransport bij het vormgeven van het oppervlak van lichamen zonder atmosfeer in het zonnestelsel. Deze methode baant de weg voor toekomstige studies, inclusief experimenten en computermodellering, om uiteindelijk de bestaande ruimtewaarnemingen te verklaren en richting te geven voor toekomstige missie-onderzoeken.

Deze methode toont hoe stofdeeltjes op een gecontroleerde manier kunnen worden bewogen, wat andere onderzoekers kan helpen bij het ontwikkelen van hun eigen experimenten. De procedure zal worden gedemonstreerd door Noah Hood, een bachelorstudent uit ons laboratorium. De experimenten vereisen een vacuümkamer.

Deze is 50 centimeter in diameter en 28 centimeter hoog en is verbonden met een argontank en een pompsysteem. Binnenin bevindt zich een elektrisch geïsoleerde metalen plaat. Op dit punt bereidt u zich voor om stofdeeltjes te laden.

Gebruik een isolerende plaat van 20 centimeter in diameter en twee centimeter dik, en plaats er een isolerend rubberen vel met een centraal gat bovenop. Laad vervolgens isolerende, onregelmatig gevormde stofdeeltjes in het gat. Verplaats de isolerende plaat naar de vacuümkamer.

Plaats deze daar op de metalen plaat binnenin. Stel vervolgens een videocamera op om de beweging van stofdeeltjes op te nemen. Gebruik voor verlichting een LED-licht dat overeenkomt met minimaal een 500-watt gloeilamp.

Deze afbeelding toont de stofdeeltjes voordat enige stralen ermee zijn geïnteracteerd. Dit elektronenbundelexperiment vereist twee filamenten. Installeer zoals in dit voorbeeld een thorium-geïmpregneerd wolfraamfilament op elk van de twee elektrode-doorvoeren.

Installeer een van de doorvoeren bovenop de vacuümkamer. Verbind dit filament met filamentvoedingen. Installeer vervolgens de tweede doorvoer met een filament op de onderkant van de kamer.

Ga door met het pompen van de kamer tot de gewenste basisdruk. Gebruik vervolgens de argongastoevoer om de kamer te vullen tot ongeveer een halve millitorr. Wanneer u klaar bent, zet u de filamentvoedingen aan en stelt u de biasspanning in op min 120 volt.

Zet de camera aan om op te nemen. Verhoog bij de voeding de verhittingsspanning. Stop wanneer de emissiestroom enkele milliampere is.

Neem de reactie van de stofdeeltjes op. Blootstel twee energieke en thermische elektronen die beginnen te bewegen. Zet de filamentvoedingen uit en sluit ze aan op het onderste filament.

Met de voedingen aan, stel de biasspanning in op min 40 volt. Verhoog de verhittingsspanning tot een emissiestroom van meer dan 200 milliampere. Neem de beweging van de stofdeeltjes op.

Blootgesteld aan alleen thermische elektronen, bewegen ze niet. Begin met de vacuümkamer met de onderkant afgesloten. Laad de stofdeeltjes op de isolerende plaat die door de metalen plaat wordt ondersteund.

Gebruik slechts één doorvoer. Installeer één thorium-geïmpregneerd wolfraamfilament erop. Installeer de doorvoer bovenop de kamer en sluit de filamentvoedingen aan.

In de eerste sequentie stelt u de biasspanning in op min 120 volt. Verhoog vervolgens de verhittingsspanning. Stop wanneer de emissiestroom enkele milliampere is.

Neem de reactie van de stofdeeltjes in de kamer op. In dit geval bewegen ze. De tweede sequentie gebruikt dezelfde opstelling als de eerste.

In de tweede sequentie stelt u de biasspanning in op nul. Verhoog de verhittingsspanning tot een verhittingsstroom van ongeveer twee ampère. Verander vervolgens geleidelijk de biasspanning van nul naar min 120 volt.

Neem de reactie van de stofdeeltjes in de kamer op. In dit geval bewegen ze niet. Voor dit experiment verwijdert u de elektrode-doorvoer uit de kamer.

Installeer een 172-nanometer UV-lamp op de doorvoer. Installeer de doorvoer opnieuw en sluit de voeding van de lamp aan. Zet met de kamer op basisdruk de lamp aan om de stofdeeltjes te bestralen.

Neem de reactie van de deeltjes onder deze omstandigheden op. In dit experiment worden stofdeeltjes van 10 tot 50 micrometer in diameter blootgesteld aan plasma en 120 elektronvoltstraalelektronen. Er worden geen deeltjes opgeheven wanneer de elektronenbundel afwezig is.

Dit is consistent met secundaire elektronen die bijdragen aan stofopladen. De opgeheven deeltjes worden geïnduceerd door een elektronenbundel gecreëerd door eerst een biasspanning in te stellen en vervolgens de verhittingsspanning te verhogen, een proces dat secundaire elektronen creëert. In tegenstelling daarmee wordt geen stofbeweging gezien wanneer de verhittingsspanning eerst wordt ingesteld gevolgd door het verhogen van de biasspanning, een proces zonder secundaire elektronen.

Stofdeeltjes blootgesteld aan een 172-nanometer UV-lamp vertonen stofhoppen zoals aangegeven in deze foto. Wanneer het stof gedurende langere tijd wordt blootgesteld aan UV-straling, verandert het oppervlak van het stof. Dit wordt vastgelegd in een reeks foto's waarin het oppervlak gladder wordt en uiteindelijk vlak wordt.

Na het bekijken van deze video zou u een goed begrip moeten hebben van hoe u stofdeeltjes op een gecontroleerde manier kunt bewegen. Het sleutelpunt is het creëren van volledige elektronen en/of secundaire elektronen van stoffige oppervlakken. Op basis van deze methoden kunnen nieuwe experimenten, evenals computermodellering, worden ontwikkeld om de aard van stofopladen en transport beter te categoriseren.

Deze techniek baant de weg voor onderzoekers in de ruimte- en planetaire wetenschappen, evenals stoffige plasma's, om de rol van elektrostatisch stoftransport in oppervlakteverwerking op luchtloze planetaire lichamen en een nabije-oppervlakte stofomgeving rond deze lichamen te onderzoeken. Vergeet niet om handschoenen te dragen bij het hanteren van thorium-ge