Eksperymentalne metody ładowania i mobilizacji pyłu na powierzchniach narażonych na promieniowanie ultrafioletowe lub plazmę

Ogólnym celem tego eksperymentu jest pokazanie mechanizmów, które powodują, że cząstki pyłu regolitu w warunkach kosmicznych lub laboratoryjnych uzyskują wystarczający ładunek, aby zostać wyniesione lub zmobilizowane. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytanie o rolę transportu pyłu elektrycznego w kształtowaniu powierzchni ciał pozbawionych powietrza w Układzie Słonecznym. Metoda ta toruje drogę dla przyszłych badań, w tym zarówno eksperymentów, jak i modelowania komputerowego, aby ostatecznie wyjaśnić istniejące obserwacje kosmiczne i dostarczyć wskazówek dla przyszłych badań misji.

Metoda ta pokazuje, jak przemieszczać cząsteczki pyłu w kontrolowany sposób, co może pomóc innym badaczom w opracowaniu własnych eksperymentów. Procedurę zademonstruje Noah Hood, student z naszego laboratorium. Eksperymenty wymagają komory próżniowej.

Ten ma 50 centymetrów średnicy i 28 centymetrów wysokości i jest podłączony do zbiornika argonu i systemu pomp. Wewnątrz znajduje się metalowa płytka, która jest elektrycznie izolowana. W tym momencie przygotuj się do załadowania cząsteczek kurzu.

Użyj płyty izolacyjnej o średnicy 20 centymetrów i grubości dwóch centymetrów, a na niej umieść obraźliwy arkusz gumy z centralnym otworem. Następnie załaduj izolujące cząsteczki kurzu o nieregularnych kształtach do otworu. Przesuń płytę izolacyjną do komory próżniowej.

Tam umieść go na metalowej płytce w środku. Następnie skonfiguruj kamerę wideo, aby rejestrować ruch kurzu. Do oświetlenia użyj światła LED odpowiadającego co najmniej 500-watowemu źródłu żarowemu.

Na tym zdjęciu znajdują się cząsteczki pyłu, zanim jakiekolwiek wiązki weszły z nimi w interakcję. Ten eksperyment z wiązką elektronów wymaga dwóch żarników. Podobnie jak w tym przykładzie, zainstaluj torowane włókno wolframowe na każdym z dwóch przepustów elektrod.

Zamontuj jeden z przepustów w górnej części komory próżniowej. Podłącz ten żarnik do zasilaczy żarników. Następnie zamontuj drugi przepust z żarnikiem na dnie komory.

Kontynuuj, pompując komorę do żądanego ciśnienia podstawowego. Następnie użyj dopływu argonu, aby napełnić komorę do około pół militora. Gdy będziesz gotowy, włącz zasilacze żarówek i ustaw napięcie polaryzacji na minus 120 woltów.

Włącz aparat, aby nagrywać. Na zasilaniu zwiększ napięcie grzewcze. Zatrzymaj się, gdy prąd emisyjny wynosi kilka miliamperów.

Zapisz reakcję cząsteczek kurzu. Wystaw dwa energetyczne i termiczne elektrony, które zaczynają się poruszać. Wyłącz zasilacze żarnika i podłącz je do dolnego żarnika.

Przy włączonych zasilaczach ustaw napięcie polaryzacji na minus 40 woltów. Zwiększ napięcie grzewcze, aby osiągnąć prąd emisyjny powyżej 200 miliamperów. Rejestruj ruch cząsteczek kurzu.

Wystawione tylko na działanie elektronów termicznych, nie poruszają się. Zacznij od komory próżniowej z uszczelnionym dnem. Umieść cząsteczki kurzu na płycie izolacyjnej wspartej na metalowej płycie.

Stosować tylko jeden przepust. Zainstaluj na nim jeden torowany żarnik wolframowy. Zamontuj przepust na górze komory i podłącz zasilacze żarnika.

W pierwszej sekwencji ustaw napięcie polaryzacji na minus 120 woltów. Następnie zwiększ napięcie grzewcze. Zatrzymaj się, gdy prąd emisyjny wynosi kilka miliamperów.

Zapisz reakcję cząstek pyłu w komorze. W takim przypadku poruszają się. Druga sekwencja używa tej samej konfiguracji co pierwsza.

W drugiej sekwencji ustaw napięcie polaryzacji na zero. Zwiększ napięcie grzewcze, aby osiągnąć prąd grzewczy około dwóch amperów. Następnie stopniowo zmieniaj napięcie polaryzacji od zera do ujemnych 120 woltów.

Zapisz reakcję cząstek pyłu w komorze. W takim przypadku nie poruszają się. W tym eksperymencie należy usunąć przepust elektrody z komory.

Zainstaluj lampę UV o długości 172 nm na przepustie. Zainstaluj ponownie przepust i podłącz zasilanie lampy. Gdy komora jest pod ciśnieniem podstawowym, włącz lampę, aby napromieniować cząsteczki kurzu.

Rejestruj reakcję cząstek w tych warunkach. W tym eksperymencie cząstki pyłu o średnicy od 10 do 50 mikrometrów są wystawione na działanie plazmy i wiązki elektronów o mocy 120 elektronowoltów. Żadne cząstki nie są podnoszone, gdy wiązka elektronów jest nieobecna.

Jest to zgodne z tym, że elektrony wtórne przyczyniają się do ładowania pyłu. Podniesione cząstki są indukowane przez wiązkę elektronów utworzoną najpierw przez ustawienie napięcia polaryzacji, a następnie zwiększenie napięcia ogrzewania, proces, który tworzy elektrony wtórne. W przeciwieństwie do tego, nie obserwuje się ruchu pyłu, gdy najpierw ustawia się napięcie ogrzewania, a następnie zwiększa napięcie polaryzacji, w procesie bez elektronów wtórnych.

Cząsteczki kurzu wystawione na działanie 172-nanometrowej lampy UV wykazują przeskakiwanie pyłu, jak pokazano na tym zdjęciu. Gdy pył jest wystawiony na działanie promieniowania UV przez dłuższy czas, powierzchnia pyłu zmienia się. Jest to uchwycone na serii zdjęć, na których powierzchnia staje się gładsza i ostatecznie spłaszcza się.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przemieszczać cząsteczki kurzu w kontrolowany sposób. Kluczową kwestią jest stworzenie pełnych elektronów i/lub elektronów wtórnych z zapylonych powierzchni. W oparciu o te metody można opracować nowe eksperymenty, a także modelowanie komputerowe, aby lepiej skategoryzować naturę ładowania i transportu pyłu.

Technika ta toruje drogę naukowcom zajmującym się naukami kosmicznymi i planetarnymi, a także plazmą pyłową, do zbadania roli elektrostatycznego transportu pyłu w przetwarzaniu powierzchni bezpowietrznych ciał planetarnych oraz środowiska pyłu przypowierzchniowego wokół tych ciał. Nie zapomnij założyć rękawiczek podczas pracy z torowanymi drutami wolframowymi ze względu na niską radioaktywność toru. Zakryj również okna komory próżniowej, aby uniknąć ewentualnej ekspozycji na promieniowanie UV.