Eksperimentelle metoder for støv lading og mobilisering på overflater med eksponering for ultrafiolett stråling eller Plasmas
Summary
Støv lading og mobilisering er demonstrert i tre eksperimenter med eksponering for termisk plasma strålen elektroner, strålen elektroner bare eller ultrafiolett (UV) stråling bare. Disse eksperimentene presentere avansert forståelsen av elektrostatisk støv transport og dens rolle i forming overflater av airless planetenes organer.
Abstract
Elektrostatiske støv transport har vært hypotese for å forklare en rekke observasjoner av uvanlig planetenes fenomener. Det er her vist benytter tre nylig utviklet eksperimenter i som støv partikler er utsatt for termisk plasma strålen elektroner, strålen elektroner bare eller ultrafiolett (UV) stråling bare. UV lyskilden har en smal båndbredde i bølgelengde sentrert på 172 nm. Strålen elektronene med energi av 120 eV opprettes med et negativt partisk varme filament. Når vakuum kammeret er fylt med argongass, opprettes en termisk plasma i tillegg elektronstråle. Isolerende støvpartikler av noen titalls mikrometer i diameter brukes i forsøkene. Støvpartikler registreres for å være lofted til en høyde til noen få centimeter med en lansering hastighet opptil 1 m/s. Disse eksperimentene viser at bilde og/eller sekundær electron utslipp fra en støvete overflate endringer det anklager mekanismen av støvpartikler. Ifølge den nylig utviklede “patched kostnad modell”, slippes ut elektroner kan bli re-absorbert i microcavities mellom nærliggende støvpartikler under overflaten, forårsaker akkumulering av forbedret negative kostnader på omkringliggende støv partikler. Frastøtende styrker mellom disse ladet negativt partikler kan være stor nok til å mobilisere og løfte dem opp overflaten. Disse eksperimentene presentere avansert forståelsen av støv lading og transport på støvete overflater, og lagt et fundament for fremtidige undersøkelser av sin rolle i overflaten utviklingen av airless planetenes organer.
Introduction
Airless planetenes organer, som månen og asteroider, er dekket av fine støvpartikler kalt regolith. Disse airless organer, i motsetning til jorden, utsatt direkte for solvinden plasma og solens ultrafiolett (UV) stråling, forårsaker regolith støv skal belastes. Disse belastet støvpartikler kan derfor mobiliserte, lofted, transportert, eller selv kastet og tapt fra overflaten på grunn av elektrostatisk styrker. Først foreslo bevis av denne elektrostatisk prosessen var den såkalte “lunar horisonten glød”, en distinkt glød over vestlige horisonten observert etter solnedgang av landmåler 5, 6 og 7 romfartøyet fem tiår siden (figur 1a)1, 2,3. Det har vært en teori om at dette glød skyldes sollys spredt av elektrostatisk lofted støvpartikler (5 μm radius) til en høyde < 1 m over overflaten nær lunar terminator1,2,3. Elektrostatisk utgitt fint støv ble også foreslått for å være ansvarlig for ray-lignende streamere nå en stor høyde rapportert av Apollo astronautene4,5.
Siden disse Apollo observasjoner, en rekke observasjoner over andre airless kroppen var også knyttet til mekanismer for elektrostatisk støv mobilisering eller lofting, ringer som radial eikene i Saturn6,7, 8, støv dammer på asteroide Eros (figur 1b)9 og kometen 67 P10, de porøse overflatene angitt asteroidefamilien asteroide spectra11, uvanlig glatte overflaten av Saturns isete månen Atlas12, og regolith på lunar swirls13. I tillegg kan nedbrytning av laser retroreflectors på månen også skyldes opphopning av elektrostatisk lofted støv14.
Laboratoriestudier har vært i stor grad motivert av disse uvanlige plass observasjoner for å forstå fysiske prosessene av støv lading og transport. Støv mobilisering er observert i ulike plasma forhold, som støvpartikler er kaste av et glass kule overflate15,16, levitated i plasma hylser17og registrert for å flytte på både gjennomføring og isolerende overflater18,19,20,21. Men forble hvordan støvpartikler få stor nok kostnader lofted eller mobilisert dårlig forstått. Målinger av avgifter på individuelle støvpartikler på en jevn overflate22 og gjennomsnittlig kostnad tetthet på en støvete overflate23 i plasmas viser at kostnadene er altfor liten for støvpartikler lofted eller mobilisert.
I tidligere teorier16,24,25, var lading bare vurdert på topp overflatelaget er direkte utsatt for UV eller plasma. Kostnader er ofte betraktet som skal fordeles jevnt over hele støvet overflaten, dvs., hver individuelle støv partikler kjøper samme mengde omkostninger, beskrevet av de såkalte “delte kostnad modell”16. Imidlertid er kostnadene beregnes fra denne modellen mye mindre enn kraft alene. En kostnad svingninger teori som står for stokastiske prosessen med flukser elektroner og ioner til overflaten16,24 viser en timelig forbedring i elektrostatisk force, men det fortsatt lite i forhold til den gravitasjonskraft.
I denne utredningen er elektrostatisk støv lofting og mobilisering demonstrert benytter tre nylig utviklet eksperimenter26, som er viktig for å forstå støv transport på regolith airless planetenes organer. Disse eksperimentene utføres i forhold til termisk plasma med strålen elektroner, strålen elektroner bare eller UV-stråling. Disse eksperimentene viser gyldigheten av nylig utviklede “patched kostnad modell”26,27, i hvilken microcavities dannet mellom nærliggende støvpartikler under overflaten kan re absorbere slippes ut bildet og/eller sekundær elektroner, generere store negativ kostnader på overflater av de nærliggende støvpartiklene. Frastøtende styrker mellom disse negative kan bli stor nok til å mobilisere eller løft av støvpartikler.
Protocol
Representative Results
Discussion
I flere tiår har forble problemet av elektrostatisk støv transport regolith airless organer et åpent spørsmål hvordan regolith støvpartikler få tilstrekkelig store kostnader å bli mobilisert eller lofted. De senere laboratoriet studier26,27 har fundamentalt avanserte forståelsen av problemet.
Her er det vist tre nylig utviklet eksperimenter å vise støv lading og Mobilisering i termisk plasma med strålen elektroner, strålen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av NASA/SSERVI Institutt for modellering Plasma, atmosfærer og kosmisk støv (IMPACT) og NASA solsystemer arbeid programmet (gi nummer: NNX16AO81G).
Materials
| Vacuum chamber | Any | NA | |
| Vacuum electrode feedthrough | Lesker | EFT0113053 | |
| Tungsten filament (0.1 mm thick) | Goodfellow | W055250 | Thoriated |
| Power supply #1 (0-8V, 3A) | Agilent | E3610A | Or equivalent |
| Power supply #2 (0-140V, 0.5A) | Agilent | E3612A | Or equivalent |
| UV lamp | Osram | XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV | Or equivalent |
| Dust sample | Any | Mars or Lunar simulants or other types | Irregularly-shaped, sieved, insulating |
| Insulating plate | Any | NA | Thickness > 1 cm |
| Rubber sheet | Any | NA | Thickness > 1 mm |
| Metal plate | Any | NA | |
| Ceramic stands | McMaster | 94335A130 | 1/2" diameter |
| Video camera (consumer) | Panasonic | HC-VX870 | Or equivalent |
| Video camera (high-speed) | Phantom | V2512 | > 1000 fps |
| LED lamp | Any | NA | > 500W Tungsten Equivalent |
References
- Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , 545-556 (1973).
- Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
- Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006 (2007).
- McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991 (1974).
- Zook, H. A., McCoy, J. E. Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere. Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).
- Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn – Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
- Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system – the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
- Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn’s spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
- Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. The nature of ponded deposits on Eros. Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).
- Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17 (2015).
- Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
- Hirata, N., Miyamoto, H. Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas. Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).
- Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls. Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).
- Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
- Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. Observation of dust shedding from material bodies in a plasma. J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).
- Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504 (2006).
- Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath. J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408 (2002).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow. J. Geophys. Res. 114, A05103 (2009).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam. J. Geophys. Res. 115, A11102 (2010).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
- Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting. Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).
- Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions. Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104 (2007).
- Ding, N., Wang, J., Polansky, J. Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface. IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).
- Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501 (2011).
- Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703 (2016).
- Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -. W., Grün, E., Horányi, M. Dust charging and transport on airless planetary bodies. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).
- Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -. W., Grün, E., Horányi, M. The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces. Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).
- Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , (1998).
- Martin, N. L. S., von Engel, A. The reflection of slow electrons from a soot-covered surface. J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).
- Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith. Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).
- Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment. New J. Phys. 12, 033036 (2010).
- Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust. Astrophys. J. 761 (2), 108 (2012).
- Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77 (2013).
- Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. Experimental study of a photoelectron sheath. Phys. Plasmas. 19 (4), 043502 (2012).
- Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
- Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -. W., Horányi, M. Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).
