Name: Eksperymentalne metody ładowania i mobilizacji pyłu na powierzchniach narażonych na promieniowanie ultrafioletowe lub plazmę (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-04-03T13:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 54 s
Description: Poznaj eksperymentalne metody ładowania i mobilizacji pyłu regolitu przy użyciu plazmy, wiązek elektronów oraz promieniowania UV w komorze próżniowej. Technika ta umożliwia badanie elektrostatycznego transportu pyłu na powierzchniach bezwietrznych ciał planetarnych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Ta praca była wspierana przez Instytut Modelowania Plazmy, Atmosfery i Pyłu Kosmicznego (IMPACT) NASA/SSERVI oraz przez NASA Solar Systems Workings Program (numer grantu: NNX16AO81G).

1. Ustawienie komory próżniowej
<ol>
	<li>Umieść arkusz gumy izolacyjnej (0,2 cm grubości, 5 cm średnicy) z centralnym otworem o średnicy 1,9 cm na płycie izolacyjnej (2 cm grubości i 20 cm średnicy) (<silna klasa="xfig">Rysunek 2a, b). Do otworu należy wsadzić izolujące cząsteczki pyłu o nieregularnych kształtach (o średnicy od 10 do 50 μm).</li>
	<li>Umieść płytę izolacyjną na metalowej płycie stojącej pośrodku komory próżniowej. Odizoluj elektrycznie metalową płytkę od komory za pomocą ceramicznych wsporników.</li>
	<li>Włącz pompy próżniowe (pompa turbo wspierana przez mechaniczną pompę do obróbki zgrubnej), aby osiągnąć ciśnienie podstawowe ~ 10-6 Torr. Demonstracyjne eksperymenty są wykonywane w cylindrycznej komorze próżniowej ze stali nierdzewnej o średnicy 50 cm i wysokości 28 cm (<silna klasa="xfig">Rysunek 2c).</li>
	<li>Rejestruj ruch kurzu i wyciąganie za pomocą kamery wideo ze zwykłą prędkością 30 klatek/s (kl./s) lub szybkiej kamery (> 2000 kl./s). Użyj światła LED o maksymalnym naświetleniu odpowiadającym > żarówce o mocy 500 W, aby wytworzyć wystarczającą ilość światła na cząsteczkach kurzu do nagrywania filmów w dobrej jakości. 
	UWAGA: Używanie gumy wynika z jej ciemnego koloru, który minimalizuje odbicie światła do aparatu. Do lepszego fotografowania należy używać jasnych cząsteczek kurzu ze względu na kontrast kolorystyczny z ciemną gumową powierzchnią. Gruba płyta izolacyjna służy do eliminowania wpływu pola elektrycznego między powierzchnią płyty izolacyjnej a płytą metalową na ładowanie i mobilizację pyłu. W tej demonstracji użyto symulantu Marsa (JSC-Mars-1, przesianego do średniej średnicy 38-48 μm, gęstości masy 1,9 g/>cm-3 i głównego składu SiO2 28), który przypomina ogólny pył regolitowy ciał pozbawionych powietrza w wewnętrznym Układzie Słonecznym. Przetestowano również różne inne rodzaje cząstek pyłu izolacyjnego, takie jak symulant księżycowy (JSC-1), symulant księżycowy (LHT) i czysty pył krzemionkowy.</li>
</ol>
2. Ekspozycja na plazmę termiczną z wiązką elektronów
<ol>
	<li>Przymocuj torowany żarnik wolframowy (o grubości 0,1 mm i długości ~ 3 cm) do przepustu elektrody i zainstaluj go na górze komory. Następnie przepompuj komorę do ciśnienia podstawowego.</li>
	<li>Napełnij komorę próżniową argonem do ciśnienia ~ 0,5 mTorr.</li>
	<li>Włącz zasilacze i ustaw napięcie polaryzacji -120 V na żarniku.</li>
	<li>Zwiększaj napięcie grzewcze do prądu grzewczego ~ 2A aż prąd emisji osiągnie żądaną wartość (kilka mA). Z żarnika będą emitowane energetyczne elektrony o energii 120 eV. 
	UWAGA: Te przypominające wiązkę pierwotne elektrony uderzają w neutralne atomy argonu, powodując ich jonizację i tworząc plazmę o temperaturze elektronów około 2 eV. Duża część elektronów wiązki pierwotnej dociera bezpośrednio do powierzchni pyłu bez zderzeń z neutralnymi atomami. Cząsteczki pyłu są zatem wystawione na działanie zarówno plazmy termicznej, jak i wiązki elektronów.</li>
	<li>Aby pokazać rolę wiązki energetycznej elektronów w transporcie pyłu, wykorzystano alternatywną operację tworzenia plazmy termicznej nad cząstkami pyłu.
	<ol>
		<li>Włącz alternatywny żarnik na dnie komory o napięciu polaryzacji -40 V i prądzie emisji do 400 mA (<silna klasa="xfig">Rysunek 2a). Pierwotne elektrony emitowane z żarnika zostaną zatrzymane przez metalową płytkę poniżej płytki obrażającej, na której spoczywają cząsteczki pyłu (<silna klasa="xfig">Rysunek 2a, b).</li>
		<li>Zmieniaj prąd emisyjny, aby zmienić pole elektryczne nad powierzchnią. Wyższy prąd tworzy większą gęstość plazmy, cieńszą powłokę, a tym samym większe pole elektryczne.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Ekspozycja tylko na wiązkę elektronów
<ol>
	<li>Ustaw eksperyment zgodnie z opisem w powyższym eksperymencie, używając górnego filamentu.</li>
	<li>Włącz górny żarnik pod ciśnieniem podstawowym 10-6 Torr (tj. brak argonu podawanego w komorze). Nie powstaje plazma, a cząsteczki pyłu bombardowane są tylko elektrony o napięciu 120 eV emitowane przez żarnik</li>.
	<li>Używaj filamentu w dwóch różnych trybach.
	<ol>
		<li>Ustaw napięcie polaryzacji na -120 V, a następnie zwiększaj napięcie grzania, aż prąd emisji osiągnie kilka mA.</li>
		<li>Zwiększ napięcie ogrzewania, aby osiągnąć żądany prąd ogrzewania ~ 2 A, a następnie stopniowo zwiększaj napięcie polaryzacji od 0 V do -120 V, aby wyemitować elektrony o prądzie emisyjnym kilku mA.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. Tylko ekspozycja na promieniowanie UV
<ol>
	<li>Zastąp górny żarnik lampą UV (<silna klasa="xfig">Rysunek 2b) i przepompuj komorę do ciśnienia podstawowego. Użyj ksenonowej lampy ekscymerowej Osram, która emituje światło UV o długości fali 172 nm. Odpowiednia energia fotonu wynosi 7,2 eV, czyli jest większa niż funkcja pracy powierzchni pyłu (~ 5,5 eV) w celu wyemitowania fotoelektronów. 
	UWAGA: Oczekuje się, że promieniowanie UV o krótszej długości fali, które emituje fotony o wyższej energii, wytworzy więcej ładunków na cząsteczkach pyłu, a tym samym większą mobilizację, w oparciu o model ładunku łatanego26,27.</li>
	<li>Włącz lampę UV, aby wypromieniowywać cząsteczki kurzu. W demonstracji natężenie promieniowania fotonów wynosi 40 mW/cm-2 na źródle UV i ~ 16 mW/cm-2 na powierzchni zapylonej.</li>
</ol>

<ol><li>Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aCriswell%2C+DR+%22Photon+and+Particle+Interactions+with+Surfaces+in+Space%22">Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space</a>. , Springer. New York. 545-556 (1973).</li>
<li>Rennilson, J. J., Criswell, D. R. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/BF00655715">Surveyor observations of lunar horizon-glow.</a> Moon. 10 (2), 121-142 (1974).</li>
<li>Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2005RG000184/abstract">Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics.</a> Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).</li>
<li>McCoy, J. E., Criswell, D. R. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/1974LPSC....5.2991M">Evidence for a high latitude distribution of lunar dust.</a> The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991(1974).</li>
<li>Zook, H. A., McCoy, J. E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/91GL02235/abstract">Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere.</a> Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).</li>
<li>Smith, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Encounter+with+Saturn+-+Voyager-1+imaging+science+results%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results.</a> Science. 212 (4491), 163-191 (1981).</li>
<li>Smith, B. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+look+at+the+Saturn+system+-+the+Voyager-2+images%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images.</a> Science. 215 (4532), 504-537 (1982).</li>
<li>Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Saturn%27s+spokes%3A+Lost+and+found%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Saturn's spokes: Lost and found.</a> Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).</li>
<li>Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+nature+of+ponded+deposits+on+Eros%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">The nature of ponded deposits on Eros.</a> Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).</li>
<li>Thomas, N., et al. <a target="_blank" href="https://www.aanda.org/articles/aa/abs/2015/11/aa26049-15/aa26049-15.html">Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.</a> Astron. Astrophys. 583, A17(2015).</li>
<li>Vernazza, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103512001327">High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra.</a> Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).</li>
<li>Hirata, N., Miyamoto, H. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103512001212">Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas.</a> Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).</li>
<li>Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0019103510004550">Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls.</a> Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).</li>
<li>Murphy, T. W., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1003.0713">Long-term degradation of optical devices on the Moon.</a> Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).</li>
<li>Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/91JA02801/abstract">Observation of dust shedding from material bodies in a plasma.</a> J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).</li>
<li>Flanagan, T. M., Goree, J. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.2401155">Dust release from surfaces exposed to plasma.</a> Phys. Plasmas. 13 (12), 123504(2006).</li>
<li>Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2002JA009347/abstract">Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath.</a> J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408(2002).</li>
<li>Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2008JA013983/full">Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow.</a> J. Geophys. Res. 114, A05103(2009).</li>
<li>Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2010JA015465/full">Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam.</a> J. Geophys. Res. 115, A11102(2010).</li>
<li>Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S003206331000365X">Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries.</a> Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).</li>
<li>Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/grl.50230/full">Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting.</a> Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).</li>
<li>Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2007GL030766/full">A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions.</a> Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104(2007).</li>
<li>Ding, N., Wang, J., Polansky, J. <a target="_blank" href="http://ieeexplore.ieee.org/document/6605561/">Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface.</a> IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).</li>
<li>Sheridan, T. E., Hayes, A. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3560302">Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma.</a> Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501(2011).</li>
<li>Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.4947215">Dust on a surface in a plasma: A charge simulation.</a> Phys. Plasmas. 23 (6), 043703(2016).</li>
<li>Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016GL069491/full">Dust charging and transport on airless planetary bodies.</a> Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).</li>
<li>Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2017GL072909/full">The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces.</a> Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).</li>
<li>Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).</li>
<li>Martin, N. L. S., von Engel, A. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3727/10/6/008">The reflection of slow electrons from a soot-covered surface.</a> J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).</li>
<li>Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0032063308004042">Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith.</a> Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).</li>
<li>Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/12/3/033036">Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment.</a> New J. Phys. 12, 033036(2010).</li>
<li>Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. <a target="_blank" href="http://adsabs.harvard.edu/abs/2012ApJ...761..108R">Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust.</a> Astrophys. J. 761 (2), 108(2012).</li>
<li>Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. <a target="_blank" href="http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0004-637X/763/2/77">Charging of aggregate grains in astrophysical environments.</a> Astrophys. J. 763 (2), 77(2013).</li>
<li>Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.3700170">Experimental study of a photoelectron sheath.</a> Phys. Plasmas. 19 (4), 043502(2012).</li>
<li>Zimmerman, M. I., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JE005049/full">Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths.</a> J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).</li>
<li>Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015GL067175/full">Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space.</a> Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Przez dziesięciolecia problem elektrostatycznego transportu pyłu na regolicie ciał bezpowietrznych pozostawał kwestią otwartą, w jaki sposób cząstki pyłu regolitu uzyskują wystarczająco duże ładunki, aby zostać zmobilizowane lub uniesione. Ostatnie badania laboratoryjne 26,27 zasadniczo poszerzyły zrozumienie tego problemu.
Pokazano tu trzy niedawno opracowane eksperymenty, które pokazują ładowanie i mobilizację pyłu w plazmie termiczn...

Bezpowietrzne ciała planetarne, takie jak Księżyc i asteroidy, pokryte są drobnymi cząstkami pyłu zwanymi regolitem. Te pozbawione powietrza ciała, w przeciwieństwie do Ziemi, są bezpośrednio wystawione na działanie plazmy wiatru słonecznego i słonecznego promieniowania ultrafioletowego (UV), co powoduje ładowanie pyłu regolitu. Te naładowane cząstki pyłu mogą być zatem mobilizowane, podnoszone, transportowane, a nawet wyrzucane i tracone z powierzchni w wyniku sił elektrostatycznych. Pierwszym sugerowanym dowodem tego procesu elektrostatycznego była tak zwana "poświata horyzontu księżycowego", wyraźna poświata nad zachodnim horyzontem zaobserwowana krótko po zachodzie słońca przez sondy Surveyor 5, 6 i 7 pięć dekad temu (Rysunek 1a)1,2,3. Wysunięto hipotezę, że ta poświata była spowodowana przez światło słoneczne rozproszone od elektrostatycznie wyniesionych cząstek pyłu (promień 5 μm) na wysokość < 1 m nad powierzchnią w pobliżu księżycowego terminatora1,2,3. Sugerowano również, że drobny pył uwalniany elektrostatycznie jest odpowiedzialny za to, że podobne do promieni serpentyny osiągają dużą wysokość, o których donoszą astronauci Apollo4,5.
Od czasu tych obserwacji Apollo, wiele obserwacji innych ciał pozbawionych powietrza było również powiązanych z mechanizmami elektrostatycznej mobilizacji lub unoszenia, takimi jak promieniste szprychy w pierścieniach Saturna6,7,8, zbiorniki pyłu na planetoidzie Eros (Rysunek 1b)9 i kometa 67P10, porowate powierzchnie wskazane przez widma planetoid pasa głównego11, niezwykle gładką powierzchnię lodowego księżyca Saturna Atlas12, oraz regolit w księżycowych wirach13. Ponadto, degradacja retroreflektorów laserowych na powierzchni Księżyca może być również spowodowana przez nagromadzenie elektrostatycznie wyrzuconego pyłu14.
Badania laboratoryjne były w dużej mierze motywowane tymi niezwykłymi obserwacjami kosmicznymi, aby zrozumieć fizyczne procesy ładowania i transportu pyłu. Mobilizację pyłu zaobserwowano w różnych warunkach plazmowych, w których cząsteczki pyłu są zrzucane z powierzchni szklanej kuli15,16, lewitują w osłonach plazmy17 i rejestrują się, aby poruszać się zarówno po powierzchniach przewodzących, jak i izolacyjnych18,19,20,21. Jednak sposób, w jaki cząstki pyłu uzyskują wystarczająco duże ładunki, aby mogły zostać wyniesione lub zmobilizowane, pozostawał słabo poznany. Pomiary ładunków na pojedynczych cząstkach pyłu na gładkiej powierzchni22 oraz średnia gęstość ładunku na powierzchni zapylonej23 zanurzonej w plazmie pokazują, że ładunki są zbyt małe, aby cząstki pyłu mogły zostać wyniesione lub zmobilizowane.
W poprzednich teoriach16,24,25, ładunek był uważany za zachodzący tylko na górnej warstwie powierzchniowej, która jest bezpośrednio wystawiona na działanie promieniowania UV lub plazmy. Często uważa się, że ładunki są rozłożone równomiernie na całej powierzchni pyłu, tj. każda pojedyncza cząstka pyłu uzyskuje taką samą ilość ładunku, opisaną przez tak zwany "model współdzielonego ładunku"16. Jednak ładunki wyliczone z tego modelu są znacznie mniejsze niż sama siła grawitacji. Teoria fluktuacji ładunku, która uwzględnia stochastyczny proces strumieni elektronów i jonów do powierzchni16,24 pokazuje czasowe zwiększenie siły elektrostatycznej, ale pozostaje ono niewielkie w porównaniu z siłą grawitacji.
W tym artykule, elektrostatyczne unoszenie i mobilizacja pyłu jest demonstrowane za pomocą trzech niedawno opracowanych eksperymentów26, które są ważne dla zrozumienia transportu pyłu na regolicie bezpowietrznych ciał planetarnych. Eksperymenty te przeprowadzane są w warunkach plazmy termicznej z wiązką elektronów, tylko wiązką elektronów lub tylko promieniowaniem UV. Eksperymenty te pokazują słuszność niedawno opracowanego "modelu ładunku z łatą"26,27, w którym mikrownęki utworzone między sąsiadującymi cząstkami pyłu pod powierzchnią mogą ponownie absorbować emitowane zdjęcie i/lub elektrony wtórne, generując duże ładunki ujemne na powierzchniach sąsiednich cząstek pyłu. Siły odpychające między tymi ładunkami ujemnymi mogą stać się wystarczająco duże, aby zmobilizować lub oderwać cząsteczki pyłu.

<table><tbody><tr><td>Komora próżniowa</td><td>Dowolna</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Przepust elektrody próżniowej</td><td>Lesker</td><td>EFT0113053</td><td></td></tr><tr><td>Włókno wolframowe (o grubości 0,1 mm)</td><td>Goodfellow</td><td>W055250</td><td>Zasilacz torowy</td></tr><tr><td>#1 (0-8V, 3A)</td><td>Agilent</td><td>E3610A</td><td>Lub równoważny</td></tr><tr><td>Zasilacz #2 (0-140V, 0,5A)</td><td>Agilent</td><td>E3612A</td><td>Lub odpowiednik</td></tr><tr><td>Lampa UV</td><td>Osram</td><td>XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV</td><td>Lub równoważny</td></tr><tr><td>Próbka pyłu</td><td>Dowolne</td><td>symulatory Marsa lub Księżyca lub inne typy</td><td>Nieregularny kształt, przesiewany, izolacyjny</td></tr><tr><td>Płyta izolacyjna</td><td>Dowolna</td><td>NA</td><td>Grubość > 1 cm</td></tr><tr><td>Arkusz gumowy</td><td>Dowolna</td><td>NA</td><td>Grubość > 1 mm</td></tr><tr><td>Metalowa tabliczka</td><td>Dowolna</td><td>NA</td><td></td></tr><tr><td>Stojaki ceramiczne</td><td>McMaster</td><td>94335A130</td><td>o średnicy 1/2 cala</td></tr><tr><td>Kamera wideo (konsumencka)</td><td>Panasonic</td><td>HC-VX870</td><td>Lub równoważny</td></tr><tr><td>Kamera wideo (szybka)</td><td>Phantom</td><td>V2512</td><td>> Lampa LED 1000 kl./s</td></tr><tr><td></td><td>Dowolna</td><td>NA</td>> <td>500W Odpowiednik wolframu</td></tr></tbody></table>

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

Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas

Elektrostatyczny transport pyłu został postawiony w celu wyjaśnienia szeregu obserwacji niezwykłych zjawisk planetarnych. Zostało to zademonstrowane za pomocą trzech niedawno opracowanych eksperymentów, w których cząsteczki pyłu są wystawione na działanie plazmy termicznej za pomocą wiązki elektronów, tylko wiązki elektronów lub tylko promieniowania ultrafioletowego (UV). Źródło światła UV ma wąskie pasmo długości fali wyśrodkowanej na 172 nm. Wiązka elektronów o energii 120 eV jest tworzona za pomocą ujemnie spolaryzowanego gorącego żarnika. Gdy komora próżniowa jest wypełniona gazowym argonem, oprócz wiązki elektronów powstaje plazma termiczna. W eksperymentach wykorzystywane są izolacyjne cząsteczki pyłu o średnicy kilkudziesięciu mikronów. Rejestruje się, że cząstki pyłu są wynoszone na wysokość do kilku centymetrów z prędkością startu do 1 m/s. Eksperymenty te pokazują, że foto i/lub wtórna emisja elektronów z powierzchni pyłu zmienia mechanizm ładowania cząstek pyłu. Zgodnie z niedawno opracowanym "modelem łatego ładunku", emitowane elektrony mogą być ponownie absorbowane w mikrownękach między sąsiednimi cząstkami pyłu pod powierzchnią, powodując akumulację zwiększonych ładunków ujemnych na otaczających cząstkach pyłu. Siły odpychające między tymi ujemnie naładowanymi cząstkami mogą być wystarczająco duże, aby zmobilizować je i unieść z powierzchni. Eksperymenty te dostarczają zaawansowanych informacji na temat ładowania i transportu pyłu na powierzchniach pyłu i stanowią podstawę dla przyszłych badań nad jego rolą w ewolucji powierzchni pozbawionych powietrza ciał planetarnych.

Wykonano zestaw eksperymentów z wykorzystaniem włókien górnych lub dolnych. Przy zastosowaniu włókna górnego zarejestrowano skoki cząsteczek pyłu (Rysunek 3a). W przeciwieństwieństwie do tego, cząsteczki pyłu pozostawały w spoczynku podczas korzystania z włókna dolnego. Zmierzono, że pionowe pole elektryczne na powierzchni było w obu eksperymentach zbliżone (16 V/cm) w warunkach opisanych w kroku 2 protokołu26. Wyniki te wskazują, że s...

Ładowanie i mobilizacja pyłu jest demonstrowane w trzech eksperymentach z ekspozycją na plazmę termiczną z wiązką elektronów, tylko wiązką elektronów lub tylko promieniowaniem ultrafioletowym (UV). Eksperymenty te pozwalają na pogłębienie wiedzy na temat elektrostatycznego transportu pyłu i jego roli w kształtowaniu powierzchni pozbawionych powietrza ciał planetarnych.

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

Electrostatic dust transport has been hypothesized to explain a number of observations of unusual planetary phenomena. Here, it is demonstrated using ...

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.

experimental-methods-dust-charging-mobilization-on-surfaces-with

Research

JoVE Journal

Environment

Środowisko

Opisano eksperymentalną metodę badania wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultrakrótkimi impulsami laserowymi. Zastosowanie tej metody pozwala na uzyskanie wysokiej jakości obrazów wczesnej plazmy z wysoką rozdzielczością czasową i przestrzenną. Do symulacji i wyjaśnienia mechanizmów powstawania wczesnej plazmy wykorzystano nowatorski zintegrowany model atomistyczny.

Badanie wczesnej ewolucji plazmy indukowanej ultraszybkimi impulsami laserowymi

Kawitacja akustyczna w cieczach poddanych działaniu ultradźwięków tworzy przejściowe ekstremalne warunki wewnątrz zapadających się pęcherzyków, które są źródłem niezwykłej reaktywności chemicznej i emisji światła, znanej jako sonoluminescencja. W obecności gazów szlachetnych powstaje plazma nierównowagowa. "Gorące" cząstki i fotony generowane przez zapadające się pęcherzyki są w stanie wzbudzić gatunki w roztworze.

Aktywacja cząsteczek, jonów i cząstek stałych za pomocą kawitacji akustycznej

Ten film pokazuje, jak atmosferyczna latarka plazmowa może być zapalana przez mikrofale bez dodatkowych zapalników i zapewnia stabilną i ciągłą pracę plazmy, odpowiednią do wielu zastosowań.

Jak zapalić palnik plazmowy mikrofalowy pod ciśnieniem atmosferycznym bez dodatkowych zapalników?

W tym artykule przedstawiono eksperymentalny protokół badania aerozolizacji cząstek produktu pod wpływem ścierania i warunków atmosferycznych. Przedstawiono wyniki badań nad emisją nanomateriałów inżynieryjnych w postaci aerozoli. Szczegółowy opis przebiegu eksperymentu jest szczegółowo opisany.

Protokół doświadczalny do badania aerozolizacji cząstek produktu pod wpływem ścierania i warunków atmosferycznych

Opracowanie nowych materiałów ablacyjnych i ich modelowanie numeryczne wymaga szeroko zakrojonych badań eksperymentalnych. Protokół ten opisuje procedury charakterystyki odpowiedzi materiału w przepływach plazmy, przy czym podstawowe techniki są nieinwazyjnymi metodami śledzenia recesji materiału wraz z chemią w reaktywnej warstwie granicznej za pomocą spektroskopii emisyjnej.

Badanie warstwy granicznej metodą spektroskopowej emisji podczas badania materiału ablacyjnego w plazmatronie

Stworzono eksperymentalną konfigurację dla napędzanego helem strumienia plazmy o częstotliwości kHz. Konfiguracja obejmuje klatkę do zasilania plazmą i dyszą oraz wbudowany reaktor do monitorowania indukowanych plazmą form reaktywnych bez ingerencji atmosfery otoczenia.

Układ plazmy pod ciśnieniem atmosferycznym do zbadania powstawania form reaktywnych

Ten artykuł opisuje przepływowy reaktor mikrofalowy, który jest używany do napędzania efektywnej chemii nierównowagi w celu zastosowania konwersji/aktywacji stabilnych cząsteczek, takich jak CO2, N2 i CH4. Celem opisanej tutaj procedury jest pomiar temperatury i konwersji gazu in situ.

Nierównowagowa plazma mikrofalowa do wydajnej chemii wysokotemperaturowej

Pokazany jest protokół obróbki płynów i komórek zimną plazmą fizyczną o wysokiej przepustowości. Polega ona na ustaleniu różnych składów gazów zasilających do zapłonu plazmy, pomiarze widm emisyjnych plazmy, a następnie analizie cieczy i aktywności komórkowej po obróbce plazmowej.

Badania podstawowe w medycynie osocza - podejście przepustowe od płynów do komórek

Ten protokół jest przedstawiony w celu scharakteryzowania konfiguracji, obsługi i zastosowania COST-Jet do obróbki różnych powierzchni, takich jak ciała stałe i ciecze.

Obróbka powierzchni zimną plazmą pod ciśnieniem atmosferycznym za pomocą COST-Jet

W pracy przedstawiono metodologię wytwarzania sześciu różnych typów wyładowań plazmowych w reaktorze plazmowym z wirem hiperbolicznym do degradacji mikrozanieczyszczeń w wodzie, w tym farmaceutyków oraz substancji per- i polifluoroalkilowych (PFAS).

Wdrożenie hiperbolicznego reaktora plazmowego wirowego do usuwania mikrozanieczyszczeń z wody

Poznaj eksperymentalne metody ładowania i mobilizacji pyłu regolitu przy użyciu plazmy, wiązek elektronów oraz promieniowania UV w komorze próżniowej. Technika ta umożliwia badanie elektrostatycznego transportu pyłu na powierzchniach bezwietrznych ciał planetarnych.

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

Przeglądaj więcej filmów