Экспериментальные методы взимания пыли и мобилизации на поверхностях с воздействием ультрафиолетового излучения или плазмы

Общая цель этого эксперимента — показать механизмы, которые заставляют частицы пыли реголита в космосе или лабораторных условиях набирать достаточный заряд для подъема или мобилизации. Этот метод может помочь ответить на ключевой вопрос о роли переноса электрической пыли в формировании поверхности безвоздушных тел в Солнечной системе. Этот метод прокладывает путь для будущих исследований, включая как эксперименты, так и компьютерное моделирование, чтобы в конечном итоге объяснить существующие космические наблюдения и обеспечить руководство для будущих исследований миссий.

Этот метод демонстрирует, как контролируемо перемещать частицы пыли, что может помочь другим исследователям в разработке собственных экспериментов. Демонстрировать процедуру будет Ной Худ, студент бакалавриата из нашей лаборатории. Для экспериментов требуется вакуумная камера.

Этот имеет 50 сантиметров в диаметре и 28 сантиметров в высоту и подключен к аргоновому баку и насосной системе. Внутри находится металлическая пластина, которая электрически изолирована. На этом этапе приготовьтесь к загрузке частиц пыли.

Используйте изолирующую пластину диаметром 20 сантиметров и толщиной два сантиметра, а поверх нее положите оскорбительный резиновый лист с центральным отверстием. Далее загрузите в отверстие изолирующие частицы пыли неправильной формы. Переместите изоляционную пластину в вакуумную камеру.

Там же поместите его на металлическую пластину внутри. Далее настройте видеокамеру для записи движения пыли. Для освещения используйте светодиодный свет, эквивалентный источнику накаливания мощностью не менее 500 Вт.

На этом изображении изображены частицы пыли до того, как с ними вступили в контакт какие-либо лучи. Для этого эксперимента с электронным пучком требуются две нити. Как и в этом примере, установите торированную вольфрамовую нить на каждый из двух проходов электродов.

Установите один из проходных отверстий в верхней части вакуумной камеры. Подключите эту нить накаливания к блокам питания накаливания. Затем установите второй проходной проход с нитью накаливания на дно камеры.

Продолжайте, прокачивая камеру до нужного базового давления. Далее с помощью подачи газа аргона заполните камеру примерно до половины миллиторра. Когда все будет готово, включите блоки питания нити накаливания и установите напряжение смещения на отрицательные 120 вольт.

Включите камеру для записи. При подаче питания увеличьте напряжение нагрева. Остановитесь, когда ток излучения составит несколько миллиампер.

Запишите реакцию частиц пыли. Обнажите два энергетических и тепловых электрона, которые начнут двигаться. Выключите блоки питания нити накала и подключите их к нижней нити накала.

При включенных блоках питания установите напряжение смещения на отрицательные 40 вольт. Увеличьте напряжение нагрева, чтобы достичь эмиссионного тока выше 200 миллиампер. Запишите движение частиц пыли.

Под воздействием только тепловых электронов они не двигаются. Начните с вакуумной камеры с герметичным дном. Загрузите частицы пыли на изоляционную пластину, поддерживаемую металлической пластиной.

Используйте только один проходной канал. Установите на него одну торированную вольфрамовую нить. Установите проходной проход в верхней части камеры и подключите источники питания нити накаливания.

В первой последовательности установите напряжение смещения на отрицательные 120 вольт. Затем увеличьте напряжение нагрева. Остановитесь, когда ток излучения составит несколько миллиампер.

Запишите реакцию частиц пыли в камере. В этом случае они перемещаются. Вторая последовательность использует ту же установку, что и первая.

Во второй последовательности установите напряжение смещения равным нулю. Увеличьте напряжение нагрева, чтобы достичь нагревательного тока около двух ампер. Затем постепенно изменяйте напряжение смещения с нуля на отрицательные 120 вольт.

Запишите реакцию частиц пыли в камере. При этом они не двигаются. Для этого эксперимента извлеките проходной электрод из камеры.

Установите на проходной кабель 172-нанометровую УФ-лампу. Установите на место проходной проход и подключите блок питания лампы. При базовом давлении камеры включите лампу для облучения частиц пыли.

Запишите реакцию частиц в этих условиях. В этом эксперименте частицы пыли диаметром от 10 до 50 микрометров подвергаются воздействию плазмы, а электроны — пучка 120 электронвольт. При отсутствии электронного пучка частицы не поднимаются.

Это согласуется с тем, что вторичные электроны участвуют в заряде пыли. Наталкивающиеся частицы индуцируются электронным пучком, созданным сначала путем установки напряжения смещения, а затем увеличения напряжения нагрева, что приводит к образованию вторичных электронов. В отличие от этого, при первой установке нагревательного напряжения с последующим увеличением напряжения смещения не наблюдается движения пыли, что является процессом без вторичных электронов.

Частицы пыли, подвергшиеся воздействию 172-нанометровой УФ-лампы, перепрыгивают через пыль, как показано на этой фотографии. Когда пыль подвергается воздействию ультрафиолетового излучения в течение длительного времени, поверхность пыли изменяется. Это запечатлено в серии фотографий, на которых поверхность становится более гладкой и в конечном итоге выравнивается.

После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее понимание того, как контролируемо перемещать частицы пыли. Ключевым моментом является создание полных электронов и/или вторичных электронов из пыльных поверхностей. На основе этих методов могут быть разработаны новые эксперименты, а также компьютерное моделирование, чтобы лучше классифицировать природу зарядки и транспортировки пыли.

Этот метод открывает путь исследователям в области космоса и планетологии, а также пылевой плазмы, чтобы изучить роль электростатического переноса пыли в обработке поверхности безвоздушных планетарных тел, а также в приповерхностной пылевой среде вокруг этих тел. Не забывайте надевать перчатки при работе с торированной вольфрамовой проволокой из-за низкой радиоактивности тория. Кроме того, закройте окна вакуумной камеры, чтобы избежать возможного воздействия ультрафиолета.