Verstrooiing en absorptie van licht in planetaire Regoliths

De methoden in dit protocol kunnen helpen bij het oplossen van de open computationele probleem van lichtverstrooiing door planetaire regoliths, dicht verpakte lagen van deeltjes op de oppervlakken van asteroïden gaan door kernen en andere zonnestelsel objecten. Om de berekeningen te valideren, introduceren we unieke contactloze en niet-destructieve metingen op basis van ultrasone monster levitatie. We hebben volledige controle over de positie en oriëntatie van de steekproef.

Hier passen we gevalideerde computationele methoden toe om waarnemingen van asteroïde 4 Vesta en 67P/Churyumov-Gerasimenko te interpreteren. De computationele en de experimentele methoden zijn universeel en kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in terrestrische teledetectie, nanoschaal materiaalwetenschappen en biomedische optica. Het gebruik van deze methoden vereist geduld.

De inspanning loont echter vanwege het absolute en kwantitatieve karakter van het resultaat. Visuele demonstratie van de methoden is van cruciaal belang. Het experimentele deel in deze video combineert state-of-the-art technieken in zowel optica als akoestiek.

Het demonstreren van de procedure zal dr.Antti Penttila, Ms.Julia Martikainen, Mr. Petteri Helander, Mr. Goran Maconi, en de heer Timo Vaisanen. Om te beginnen stelt u de scatterometer in door de lichtbron, fotomultiplierbuizen en versterkers in te schakelen. Laat het systeem 30 minuten stabiliseren.

Stel vervolgens de akoestische monster levitator in door de microfoon in het midden van de levitator in te voegen en het kalibratiescript uit te voeren. Maak vervolgens een meetactie met een lege levitator. De sweep onthult alle signalen gegenereerd door omgevingslicht, reflecties uit de omgeving of elektrische geluiden.

Gebruik na de installatie een akoestisch transparante maaslepel om het monster in de akoestische levitator te injecteren. Met behulp van een videocamera en hoge vergrotingsoptica inspecteer je de oriëntatie en de stabiliteit van het monster voor en na de verstrooiingsmetingen. De sterkte en assymetrie van de akoestische val zijn geoptimaliseerd voor maximale monsterstabiliteit.

Hierdoor wordt het akoestische vermogen zo laag mogelijk ingesteld. Als het monster asymmetrisch is, draait u het om de verticale as om informatie over de vorm te verkrijgen. Voer de rotatie uit door de uitlijning van de akoestische val langzaam te wijzigen.

Tijdens het beeldvorming, toe te passen extra verlichting om de beeldkwaliteit te verbeteren. Sluit vervolgens de meetkamer om extern licht te blokkeren. Selecteer met de computerinterface de oriëntatie van het monster en de hoekresolutie en het bereik van de meting.

Het binnenkomende en het verstrooide licht worden gefilterd door lineaire polarisatoren die gemotoriseerd zijn. Voer de automatische meetvegering uit. Dit meet vier punten voor elke hoek met polarisatororiënten van horizontaal-horizontaal, horizontaal-verticaal, verticaal-verticaal en verticaal-horizontaal.

Herstel het monster na de meting door het akoestische veld uit te schakelen en het monster op de akoestisch transparante stof te laten vallen. Voer vervolgens nog een meetveger uit met een lege levitator om eventuele drifting als gevolg van de omgevingslichtomstandigheden te detecteren. Wanneer u klaar bent, slaat u de gegevens op.

Analyseer de gegevens om Mueller-matrixelementen voor elke hoek te berekenen door middel van lineaire combinatie van intensiteiten bij verschillende polarisaties. Gebruik SSH-toegang om verbinding te maken met het CSC IT Center voor het beperkte cluster Taito voor wetenschap. Download en compiler alle vereiste programma's die vooraf zijn geconfigureerd voor Taito door bash compile.sh uit te voeren.

Open vervolgens de teksteditor Nano en stel de parameters in voor één verstroo ding, volume-element en het bestudeerde monster dat overeenkomt met het bestudeerde monster door het bestand PARAMS te wijzigen. Voer vervolgens de pijplijn uit door command bash run.sh uit te voeren. Als je klaar bent, schrijf je de volledige Mueller-matrix van het monster in de temp map als definitief.uit.

Gebruik Siris4 om de verstrooiingseigenschappen van howardite-deeltjes te berekenen door eerst het uitvoerbare Siris4-bestand in dezelfde map te verplaatsen met het invoerbestand en het P-matrixbestand. Kopieer dan de input_1. in en pmatrix_1.

in de testmap. In input_1. stel het aantal stralen in op twee miljoen, het aantal monsterdeeltjes op 1.000, de standaardafwijking van de straal op 0,17 en de energiewet-index van de correlatiefunctie op drie.

Stel vervolgens het werkelijke deel van de brekingsindex in op 1,8 en gebruik het denkbeeldige deel van de brekingsindex n zoals beschreven in het tekstprotocol. Voer vervolgens Siris4 uit door de hier getoonde opdracht uit te voeren voor elke golflengte van 0,4 tot 2,5 micron met een groottebereik van 10 tot 200 micron in diameter met een bemonsteringsstap van 10 micron. Sla vervolgens elke berekende verstrooiingsfase matrix p op in een pmatrix_x.

in het dossier. De x in de bestandsnaam beschrijft het golflengtenummer en varieert van één tot 43 voor elke deeltjesgrootte. Het bestand bevat de verstrooiingshoeken en de verstrooiingsmatrixelementen P11, P12, P22, P33, P34 en P44 voor één golflengte en deeltjesgrootte.

Gemiddeld de verkregen verstrooiing matrices, enkele verstrooiing Albedos, en gemiddelde vrije paden over een macht wet grootte verdeling met een index van 3,2. Gebruik diffuus strooiers in een Vesta-formaat volume met een brekingsindex van een. Gebruik in het invoerbestand de gemiddelde enkele verstrooiingsalbedos en gemiddelde vrije padlengtes voor interne spreidingsversstrooiers.

Voer vervolgens Siris4 uit op elke golflengte door het commando uit te voeren dat hier wordt weergegeven waar x de golflengte is. De code leest de gemiddelde verstrooiingsmatrices als input voor de interne diffuse scatterers. Schaal Vesta's waargenomen spectra tot een geometrische Albedo waarde van 0,42327 op 0,55 micron.

Om tot 17,4 graden te komen, breng een factor 0,491 op de geschaalde spectra. Vergelijk zowel de gemodelleerde als de waargenomen spectra over het hele golflengtebereik. Begin met het downloaden van de bronbestanden met Git en verplaats de bestanden naar het gedownloade directory-cd-protocol4b.

Download en compiler vervolgens alle vereiste programma's door bash compile.sh uit te voeren. Kopieer de gemiddelde invoerverstrooiingsmatrix en de amplitudeverstrooiingsmatrix in de huidige werkmap. Open vervolgens de teksteditor Nano en wijzig het bestand PARAMS om de gewenste parameters in te stellen.

Voer de pijplijn uit door bash run.sh uit te voeren. Schrijf dan de volledige Mueller matrix in de temp map als rtcb.out. Begin in MATLAB en voer de gemiddelde routine powerlaw_ave.

m om de resultaten over de machtswetgroottedistributie van index minus drie na het berekenen van de functies van de comafase van de oplosser Siris4 te berekenen. De verwachte routine-uitgangen zijn pmatrix2. in, Albedo en het gemiddelde vrije pad.

Stel vervolgens de resultaten van de uitgangen Albedo en de gemiddelde vrije weg in de invoer. in het dossier. Stel de grootte in op een miljard en stel de energiewetindex van de correlatiefunctie voor de vorm in op 2,5.

Voer Siris4 vervolgens uit met behulp van de hier getoonde opdrachtregel om de nucleusfasefunctie te verkrijgen. Met Siris4 werden de verstrooiingseigenschappen van 100.000 aggregaten opgelost en gemiddeld. Deze resultaten worden hier uitgezet met de experimentele metingen en een extra simulatie zonder het effectieve medium.

Beide keuzes voor de deeltjesverdeling leverden een match op met de gemeten fasefunctie, hoewel ze resulteren in verschillende polarisatiekenmerken. Deze verschillen kunnen worden gebruikt om de onderliggende verdeling van de deeltjes in het monster te identificeren. De beste keuze is om de afgekapte normale verdeling te gebruiken in plaats van de equisized deeltjes.

Als alleen genormaliseerde fasefuncties worden gebruikt, geven de twee distributies niet te onderscheiden resultaten. Voor de depolarisatie hebben de numerieke resultaten functies die vergelijkbaar zijn met de gemeten curve, maar de functies worden met 10 graden naar de backscattering-richting verschoven. De verschillen in de polarisatie geven aan dat het monster vermoedelijk een complexere structuur heeft dan het homogene model.

Het is echter buiten de bestaande microscopische methoden voor monsterkarakterisering om de ware structuur van het aggregaat op te halen. Hier is de fotometrische fasecurve gepaard gegaan met de lineaire afhankelijkheid van de omvang die het effect van schaduwen nabootst in een dicht verpakte hoge Albedo regolith. Het model legt met succes de waargenomen fotometrische en polarimetrische fasecurven uit en biedt een realistische voorspelling voor de maximale polarisatie.

Het is opvallend hoe de minieme fractie van de kleine deeltjespopulatie in staat is om de uitleg van de fasecurven te voltooien. Bij het uitvoeren van dit experiment is de ultrasone monster levitatie de sleutel tot succesvolle verstrooiingsmetingen. In het rekengedeelte is de onsamenhangende behandeling van verstrooiing in het medium van deeltjes essentieel.

In de toekomst zijn we van plan om de experimentele methoden uit te breiden tot zowel grotere als kleinere monsters die reiken tot centimeter- en micrometerschalen. We zijn momenteel bezig met het ontwikkelen van manieren om volledige ultrasone monstercontrole in microscopen te gebruiken. Neem de juiste voorzorgsmaatregelen bij het uitvoeren van dit protocol als krachtige echografie en lichtbronnen worden gebruikt in deze metingen.