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पराबैंगनी विकिरण या प्लाज्मा के लिए जोखिम के साथ सतहों पर धूल चार्ज और जुड़ाव के प्रायोगिक तरीकों

Published: April 3, 2018 doi: 10.3791/57072
Automatic Translation
1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2, 1,2
1Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, 2NASA/SSERVI's Institute for Modeling Plasma, Atmospheres and Cosmic Dust

Summary

धूल चार्ज और जुड़ाव थर्मल प्लाज्मा के साथ बीम इलेक्ट्रॉनों के लिए जोखिम के साथ तीन प्रयोगों में प्रदर्शन किया है, केवल बीम इलेक्ट्रॉनों, या पराबैंगनी (यूवी) विकिरण ही । इन प्रयोगों इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन और वायुहीन ग्रहों निकायों की सतहों को आकार देने में अपनी भूमिका की उन्नत समझ प्रस्तुत करते हैं ।

Abstract

इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन के लिए असामांय ग्रहों की घटनाओं की टिप्पणियों की एक संख्या समझाने की परिकल्पना की गई है । यहां, यह तीन हाल ही में विकसित प्रयोगों जिसमें धूल कणों बीम इलेक्ट्रॉनों, बीम इलेक्ट्रॉनों के साथ थर्मल प्लाज्मा के संपर्क में हैं, या पराबैंगनी (यूवी) केवल विकिरण का उपयोग कर प्रदर्शन किया है । यूवी प्रकाश स्रोत तरंग दैर्ध्य में एक संकीर्ण बैंडविड्थ 172 एनएम पर केंद्रित है । बीम इलेक्ट्रॉन 120 eV की ऊर्जा के साथ एक नकारात्मक पक्षपातपूर्ण गर्म रेशा के साथ बनाया जाता है । जब वैक्यूम चैंबर आर्गन गैस से भरा होता है तो इलेक्ट्रॉनक बीम के अलावा एक थर्मल प्लाज्मा बनाया जाता है । व्यास में माइक्रोन के कुछ दसियों के धूल कणों को अछूता प्रयोगों में उपयोग किया जाता है । धूल कणों एक ऊंचाई करने के लिए एक प्रक्षेपण गति के साथ कुछ सेंटीमीटर करने के लिए ऊपर हो दर्ज कर रहे है 1 मी । इन प्रयोगों का प्रदर्शन है कि तस्वीर और/या एक धूल की सतह से माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन धूल कणों के चार्ज तंत्र में परिवर्तन । हाल ही में विकसित "समझौता प्रभारी मॉडल" के अनुसार, उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों फिर से सतह के नीचे पड़ोसी धूल कणों के बीच microcavities अंदर अवशोषित किया जा सकता है, आसपास की धूल पर बढ़ाया नकारात्मक शुल्क के संचय के कारण कणों. इन नकारात्मक आरोप कणों के बीच प्रतिकारक बलों जुटाने और उन्हें सतह से लिफ्ट करने के लिए काफी बड़ा हो सकता है । इन प्रयोगों धूल चार्ज और धूल सतहों पर परिवहन की उन्नत समझ मौजूद है, और वायुहीन ग्रहों निकायों की सतह विकास में अपनी भूमिका के भविष्य की जांच के लिए एक नींव रखी ।

Introduction

इस तरह के चंद्रमा और क्षुद्रग्रहों के रूप में वायुहीन ग्रहों निकायों, ठीक धूल regolith बुलाया कणों के साथ कवर कर रहे हैं । इन वायुहीन निकायों, पृथ्वी के विपरीत, सीधे सौर हवा प्लाज्मा और सौर पराबैंगनी (यूवी) विकिरण के संपर्क में हैं, regolith धूल के कारण आरोप लगाया जा करने के लिए । ये आरोप लगाया धूल कणों इसलिए जुटाया जा सकता है, बुलंद, उत्पात, या भी बाहर निकाल दिया और इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों के कारण सतह से खो दिया है । पहले इस इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रक्रिया का सुझाव दिया सबूत तथाकथित "चंद्र क्षितिज चमक", पश्चिमी क्षितिज के ऊपर एक अलग चमक सर्वेयर 5, 6 द्वारा सूर्यास्त के बाद शीघ्र ही मनाया गया था, और 7 अंतरिक्ष यान पांच दशक पहले (चित्र 1a)1, 2,3. यह कल्पना की गई है कि इस चमक सूर्य के electrostatically मचान धूल कणों से दूर बिखरे हुए (5 माइक्रोन त्रिज्या) के लिए एक ऊंचाई < 1 मीटर के पास की सतह के ऊपर चंद्र टर्मिनेटर1,2,3। Electrostatically जारी ठीक धूल भी एक उच्च ऊंचाई अपोलो अंतरिक्ष यात्री4,5द्वारा रिपोर्ट तक पहुंचने के लिए रे तरह स्ट्रीमर के लिए जिंमेदार होने का सुझाव दिया गया था ।

कभी इन अपोलो टिप्पणियों के बाद से, अन्य वायुहीन शरीर पर टिप्पणियों के एक नंबर भी इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल जुड़ाव या मचान के तंत्र से जुड़े थे, जैसे कि शनि के छल्ले में रेडियल स्पोक्स6,7, 8, क्षुद्रग्रह इरोज (चित्रा 1b)9 और धूमकेतु 67P10पर धूल तालाबों, छिद्रित मुख्य बेल्ट क्षुद्रग्रह स्पेक्ट्रा11से संकेत दिया सतहों, शनि के बर्फीले चंद्रमा एटलस की असामांय रूप से चिकनी सतह12, और चंद्र भंवर में regolith13। इसके अलावा, चंद्र की सतह पर लेजर retroreflectors का क्षरण भी electrostatically मचान धूल14के संचय की वजह से हो सकता है ।

प्रयोगशाला अध्ययन काफी हद तक इन असामांय अंतरिक्ष टिप्पणियों से प्रेरित किया गया है ताकि धूल चार्ज और परिवहन की शारीरिक प्रक्रियाओं को समझने के लिए । धूल जुटाना विभिंन प्लाज्मा परिस्थितियों में मनाया गया है, जिसमें धूल के कणों से एक गिलास क्षेत्र की सतह से15,16, levitated प्लाज्मा खोल में17, और दोनों के संचालन और अछूता पर कदम दर्ज की गई है सतहों18,19,20,21। हालांकि, कैसे धूल कण बड़े पर्याप्त शुल्क हासिल करने के लिए मचान या जुटाए खराब समझ रहे थे । एक चिकनी सतह पर22 और एक धूल की सतह पर औसत प्रभार घनत्व23 प्लाज्मा में डूबे पर व्यक्तिगत धूल कणों पर आरोप की माप बताते है कि आरोप अभी तक धूल के कणों के लिए बहुत छोटा है मचान या जुटा हो ।

पहले सिद्धांतों में16,24,25, चार्ज केवल शीर्ष सतह परत है कि सीधे यूवी या प्लाज्मा को उजागर किया जाता है पर होने के लिए माना जाता था । आरोप अक्सर पूरी धूल भरी सतह पर समान रूप से वितरित किया जा करने के लिए माना जाता है, यानी, प्रत्येक व्यक्ति धूल कण, तथाकथित "साझा प्रभारी मॉडल"16द्वारा वर्णित आरोप की एक ही राशि का अधिग्रहण । हालांकि, इस मॉडल से गणना शुल्क बहुत गुरुत्वाकर्षण बल अकेले से छोटे हैं । एक आरोप उतारने सिद्धांत है कि इलेक्ट्रॉनों और आयनों की सतह16के लिए प्रवाह के stochastic प्रक्रिया के लिए खातों,24 इलेक्ट्रोस्टैटिक बल में एक लौकिक वृद्धि से पता चलता है, लेकिन यह की तुलना में छोटा रहता है गुरुत्वाकर्षण बल ।

इस पत्र में, इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल मचान और जुड़ाव तीन हाल ही में विकसित प्रयोग26है, जो वायुहीन ग्रहों के शरीर के regolith पर धूल परिवहन को समझने के लिए महत्वपूर्ण है का उपयोग कर प्रदर्शन किया है । इन प्रयोगों बीम इलेक्ट्रॉनों के साथ थर्मल प्लाज्मा की शर्तों में प्रदर्शन कर रहे हैं, बीम इलेक्ट्रॉनों केवल या यूवी विकिरण ही. इन प्रयोगों हाल ही में विकसित "समझौता प्रभारी मॉडल"26,27, जिसमें microcavities सतह के नीचे पड़ोसी धूल कणों के बीच गठन फिर से उत्सर्जित तस्वीर को अवशोषित कर सकते हैं की वैधता का प्रदर्शन और/ माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों, पड़ोसी धूल कणों की सतहों पर बड़े नकारात्मक शुल्क पैदा । इन नकारात्मक आरोपों के बीच प्रतिकारक बलों को जुटाने या धूल कणों से लिफ्ट करने के लिए काफी बड़ा हो सकता है ।

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Protocol

1. वैक्यूम चैंबर सेटअप

  1. एक अछूता रबर शीट प्लेस (0.2 सेमी मोटी, व्यास में 5 सेमी) एक केंद्रीय छेद के साथ एक अछूता प्लेट पर व्यास में 1.9 सेमी (2 सेमी मोटी और व्यास में 20 सेमी) (चित्र 2a, बी) । लोड अछूता, अनियमित आकार का धूल कण (10 और 50 के बीच व्यास में माइक्रोन) छेद में ।
  2. एक वैक्यूम चैंबर के बीच में खड़े एक धातु की थाली पर अछूता प्लेट प्लेस । विद्युत सिरेमिक गतिरोध का उपयोग कर चैंबर से धातु की थाली को अलग ।
  3. निर्वात पंप पर मुड़ें (एक टर्बो एक यांत्रिक मोटा पंप द्वारा समर्थित पंप) के आधार दबाव तक पहुंचने के लिए ~ 10-6 Torr । प्रदर्शन प्रयोगों एक बेलनाकार स्टेनलेस स्टील वैक्यूम चैंबर में प्रदर्शन कर रहे हैं, व्यास में 50 सेमी और 28 सेमी लंबा (चित्रा 2c).
  4. धूल आंदोलन रिकॉर्ड और 30 फ्रेम/एस (एफपीएस) या एक उच्च गति (> 2000 एफपीएस) कैमरा के एक नियमित गति से एक वीडियो कैमरा के साथ मचान । > 500W incandesce प्रकाश अच्छी गुणवत्ता वाले वीडियो रिकॉर्डिंग के लिए धूल कणों पर पर्याप्त प्रकाश का उत्पादन करने के लिए के बराबर अधिकतम रोशनी के साथ एक एलईडी प्रकाश का प्रयोग करें ।
    नोट: रबड़ का उपयोग कर अपने काले रंग की वजह से है कि कैमरे के लिए प्रकाश प्रतिबिंब को कम करता है । हल्के रंग के धूल के कणों के लिए बेहतर तस्वीर के कारण काले रबर की सतह के लिए रंग कंट्रास्ट के लिए इस्तेमाल किया जाना चाहिए । मोटी अछूता प्लेट धूल चार्ज और जुड़ाव पर अछूता प्लेट और धातु की थाली की सतह के बीच बिजली के क्षेत्र के प्रभाव को नष्ट करने के लिए प्रयोग किया जाता है । इस प्रदर्शन में मार्स simulant (JSC-mars-1, 38-48 माइक्रोन का मतलब व्यास को छलनी, 1.9 g/cm-3 और सिइओ के प्रमुख संरचना के द्रव्यमान घनत्व2 28) का उपयोग किया गया, जो भीतरी में वायुहीन निकायों के सामान्य regolith धूल जैसा दिखता है सौर प्रणाली । धूल के कणों से बचाने के विभिन्न अन्य प्रकार के भी परीक्षण किए गए, जैसे चंद्र simulant (JSC-1), चंद्र simulant हाइलैंड (LHT) और शुद्ध सिलिका धूल ।

2. बीम इलेक्ट्रॉनों के साथ थर्मल प्लाज्मा के लिए जोखिम

  1. एक इलेक्ट्रोड feedthrough करने के लिए एक thoriated टंगस्टन रेशा (0.1 mm मोटी और ~ 3 सेमी लंबी) देते हैं और यह चैंबर के शीर्ष पर स्थापित करें । इसके बाद चैंबर को बेस प्रेशर के नीचे पंप करें ।
  2. ~ 0.5 mTorr के दबाव में आर्गन गैस के साथ वैक्यूम चैंबर भरें ।
  3. बिजली की आपूर्ति पर बारी और पूर्वाग्रह वोल्टेज सेट-120 V रेशा करने के लिए ।
  4. हीटिंग चालू करने के लिए ताप वोल्टेज वृद्धि वर्तमान ~ 2a जब तक उत्सर्जन वर्तमान एक वांछित मूल्य (कुछ mA) तक पहुंचता है । 120 eV की ऊर्जा के साथ ऊर्जावान इलेक्ट्रॉनों रेशा से उत्सर्जित किया जाएगा ।
    नोट: इन बीम की तरह प्राथमिक इलेक्ट्रॉनों तटस्थ आर्गन परमाणुओं प्रभाव, उंहें और अधिक हो और 2 eV के आसपास एक इलेक्ट्रॉन तापमान के साथ एक प्लाज्मा बनाने के कारण । प्राथमिक बीम इलेक्ट्रॉनों का एक बड़ा अंश सीधे तटस्थ परमाणुओं के साथ टकराव के बिना धूल की सतह तक पहुंचता है । धूल कणों इसलिए थर्मल प्लाज्मा और बीम इलेक्ट्रॉनों दोनों को उजागर कर रहे हैं ।
  5. धूल परिवहन में ऊर्जावान बीम इलेक्ट्रॉनों की भूमिका दिखाने के लिए, धूल कणों के ऊपर एक थर्मल प्लाज्मा बनाने का एक वैकल्पिक आपरेशन का उपयोग करें ।
    1. पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ चैंबर के तल में एक वैकल्पिक रेशा पर बारी-40 वी और उत्सर्जन वर्तमान तक 400 mA (चित्रा 2a). प्राथमिक रेशा से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों अपमान थाली, जिस पर धूल कणों आराम (चित्रा 2a, बी) के नीचे धातु की थाली से बंद कर दिया जाएगा ।
    2. उत्सर्जन वर्तमान सतह के ऊपर बिजली के क्षेत्र को बदलने के लिए बदलती हैं । उच्च वर्तमान उच्च प्लाज्मा घनत्व, पतले म्यान बनाता है, और इस प्रकार बड़ा बिजली क्षेत्र ।

3. केवल बीम इलेक्ट्रॉनों के लिए जोखिम

  1. ऊपर रेशा का उपयोग कर ऊपर प्रयोग में वर्णित के रूप में प्रयोग सेटअप ।
  2. आधार दबाव के तहत शीर्ष रेशा चालू करें 10-6 Torr (यानी, चैंबर में कोई आर्गन गैस खिलाया). कोई प्लाज्मा बनाया है, जबकि केवल 120 eV बीम इलेक्ट्रॉनों रेशा बौछार धूल कणों से उत्सर्जित ।
  3. दो अलग मोड में रेशा काम करते हैं ।
    1. सेट पूर्वाग्रह वोल्टेज करने के लिए-120 V, तो हीटिंग वोल्टेज वृद्धि जब तक उत्सर्जन वर्तमान कुछ mA तक पहुंचता है ।
    2. हीटिंग वोल्टेज में वृद्धि करने के लिए एक वांछित हीटिंग वर्तमान ~ 2 एक तक पहुंचने के लिए, तो पूर्वाग्रह वोल्टेज वृद्धि से 0 v धीरे--120 वी के लिए एक उत्सर्जन वर्तमान के साथ इलेक्ट्रॉनों उत्सर्जन के लिए कुछ mA ।

4. केवल यूवी विकिरण के लिए जोखिम

  1. एक यूवी लैंप (चित्रा बी) के साथ शीर्ष रेशा बदलें और आधार दबाव को चैंबर नीचे पंप । एक क्सीनन excimer Osram दीपक, जो 172 एनएम तरंग दैर्ध्य के यूवी प्रकाश उत्सर्जन का उपयोग करें । इसी फोटॉन ऊर्जा 7.2 ev, धूल की सतह (~ 5.5 ev) के कार्य समारोह से बड़ा करने के लिए photoelectrons उत्सर्जन में है ।
    नोट: छोटे तरंग दैर्ध्य यूवी कि उच्च ऊर्जा फोटॉनों radiates के लिए धूल कणों और इसलिए अधिक जुड़ाव पर अधिक शुल्क बनाने के लिए उंमीद है, समझौता प्रभारी मॉडल के आधार पर26,27।
  2. यूवी दीपक पर बारी धूल कणों विकीर्ण करने के लिए । प्रदर्शन में, फोटॉन विकिरण धूल की सतह पर यूवी स्रोत और ~ 16 मेगावाट/सेमी-2 पर 40 मेगावाट/-2 है ।

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Representative Results

प्रयोगों का एक सेट ऊपर या नीचे रेशा का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया । शीर्ष रेशा सेटअप के साथ, धूल कणों के hopping (चित्रा 3) दर्ज किया गया था । इसके विपरीत, नीचे रेशा का उपयोग करते समय धूल के कण आराम में बने रहे । यह मापा गया है कि ऊर्ध्वाधर बिजली के क्षेत्र में सतह पर लगभग एक ही था (16 वी/मुख्यमंत्री) प्रोटोकॉल चरण 2 में वर्णित शर्तों के तहत दोनों प्रयोगों में26। इन परिणामों से संकेत मिलता है कि म्यान इलेक्ट्रिक क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रोस्टैटिक बल धूल कणों को जुटाने के लिए पर्याप्त नहीं है. इन दो प्रयोगों के बीच अंतर केवल उपस्थिति है (शीर्ष रेशा का उपयोग) या अनुपस्थिति (नीचे रेशा का उपयोग करते हुए) बीम इलेक्ट्रॉन बमबारी सतह ।

धूल और बाहरी रबर के पार संभावित वांग एट अलद्वारा मापा सतहों । 26 से पता चला है कि माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों ऊर्जावान बीम इलेक्ट्रॉनों की बमबारी के कारण उत्पंन किया गया है, जबकि प्लाज्मा जिसमें इलेक्ट्रॉनों थर्मल में छोटा कर रहे हैं । इससे भी महत्वपूर्ण बात, इन संभावित माप से पता चला है कि माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन काफी हद तक धूल की सतह पर कम किया गया था, कि ठोस सतह पर तुलना में26। यह संभावना सतह किसी न किसी कि फिर से उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों20,29,30,31,32,33को अवशोषित कर सकते है के कारण है ।

के रूप में प्रोटोकॉल 3.3.1 में वर्णित है, माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों एक बार बनाया जाता है 120 eV बीम इलेक्ट्रॉनों से उत्सर्जित रेशा की सतह तक पहुंचने, सतह क्षमता से अधिक सकारात्मक बनने के लिए वृद्धि के कारण-120 V. इस मामले में, धूल के कणों और सतह (चित्र बी) से मचान जुटाए थे । 3.3.2 में तो कोई धूल आंदोलन दर्ज नहीं हुआ । यह मापा गया है कि सतह क्षमता बस रेशा पूर्वाग्रह वोल्टेज के बाद बनने के लिए-120 V26। इसका कारण यह है कि रेशा वोल्टेज बहुत छोटा लगता है, अर्थात, इसी बीम इलेक्ट्रॉन ऊर्जा बहुत कम है, और माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उपज लगभग शूंय है तो सतह क्षमता बीम इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा के बराबर होती है (eV में) के लिए उंहें रोकने के लिए संतुलन राज्य में एक शूंय-शुद्ध वर्तमान बनाए रखें । वृद्धि का रेशा वोल्टेज क्रमिक है, प्लाज्मा प्रतिक्रिया की तुलना में, इतना है कि वोल्टेज वृद्धि बहुत छोटा है किसी भी माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों बनाने के लिए. इसलिए, सतह क्षमता रेशा वोल्टेज इस प्रकार है, बीम इलेक्ट्रॉनों के कारण सतह तक पहुँचने और इसलिए माध्यमिक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन को दबा से रोका जा करने के लिए. फिर से, इस प्रयोग से पता चलता है कि माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों की पीढ़ी काफी धूल चार्ज और परिवहन प्रक्रिया में योगदान देता है ।

धूल hopping 172 एनएम यूवी विकिरण (चित्रा 3सी) के तहत दर्ज किया गया था । सतह के ऊपर एक photoelectron म्यान बनाया गया है, जिसमें इलेक्ट्रिक फील्ड बहुत छोटी है ~ 0.5 V/ म्याना इलेक्ट्रिक फील्ड के कारण इलेक्ट्रोस्टैटिक बल इसलिए नगण्य है. के रूप में Schwan एट अलद्वारा दिखाया गया है । 27, यूवी विकिरण के तहत मचान धूल कणों बड़े नकारात्मक आरोप ले । यह परिणाम photoemission के कारण अपेक्षित सकारात्मक शुल्क के विपरीत है, जबकि "समझौता प्रभार मॉडल" के साथ समझौते में नीचे वर्णित है ।

यूवी विकिरण के तहत धूल कणों के लंबे जोखिम भी प्रदर्शन किया गया था । चित्रा 4 समय के एक समारोह के रूप में सतह आकृति विज्ञान में परिवर्तन से पता चलता है. सतह चिकनी हो जाता है और अंततः बाहर समतल, धूल क्षुद्रग्रह इरोज (चित्र 1b) पर गठित तालाबों के लिए एक कुशल प्रक्रिया की पेशकश, उदाहरण के लिए ।

तीन प्रयोगों के ऊपर दिखा कि धूल मचान तब होता है जब फोटो और/या माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों एक धूल की सतह से उत्सर्जित कर रहे हैं, और इन उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों फिर से अपने किसी न किसी के कारण सतह के भीतर अवशोषित किया जा सकता है । "समझौता प्रभारी मॉडल" वैंग एट अलद्वारा विकसित की है । 26 इन दो निष्कर्षों पर आधारित था और संक्षेप में नीचे की समीक्षा की है ।

के रूप में चित्रा 5में दिखाया गया है, एक चिकनी ठोस सतह के विपरीत, microcavities एक regolith सतह के नीचे धूल कणों के बीच गठन कर रहे हैं । शीर्ष सतहों (नीले धब्बे) यूवी विकिरण और/या प्लाज्मा इलेक्ट्रॉनों और आयनों के कारण photoionization द्वारा चार्ज कर रहे हैं । ऊपरी सतह पर धूल के कणों के बीच छोटे खुले होते हैं । यूवी फोटॉनों, या इलेक्ट्रॉनों और आयनों के कुछ ऊपर की सतह के नीचे धूल कणों पर इन छोटे उद्घाटन के माध्यम से घुसना कर सकते हैं, photoelectrons बनाने और/ इनमें से कई उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों से बच नहीं है और फिर से microcavity अंदर अवशोषित कर रहे हैं और आसपास के कणों की सतहों पर नकारात्मक शुल्क जमा (लाल धब्बे).

नीली सतह के पैच पर प्रभार Qb eEquation bहै, जहां ईबी धूल की सतह के ऊपर म्यान इलेक्ट्रिक फील्ड है । लाल धब्बे Qr ईEquation आरके लिए चार्ज कर रहे हैं, जहां ईआर microcavity के अंदर बिजली के क्षेत्र है । eb 1Equation /λde, जहां λde Debye लंबाई है, जबकि ईr 1/r, जहां है व्यक्ति धूल कण त्रिज्या है, लगभग microcavity के लक्षण आकार के समान ।Equation λDe > > आर, ईआर > > ईबी और इसलिए क्यूआर > > क्यूबीके कारण । मोटे तौर पर बढ़ाया नकारात्मक प्रभारी क्यूआर दो नकारात्मक आरोप लगाया कणों के बीच एक बड़ा पर्याप्त प्रतिकारक बल बना सकते हैं, जो उन्हें सतह से बाहर निकालता है. बड़े शुल्क जमा (0.5 μC/एम2के आदेश पर) photoelectrons के पुनः अवशोषण के कारण एक धूल की सतह के भीतर भी एक कंप्यूटर सिमुलेशन में मनाया जाता है35। 

Figure 1
चित्र 1. असामांय सतह इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन से संबंधित घटना के दो उदाहरणों की तस्वीरें । (क) चंद्र क्षितिज की चमक सर्वेयर द्वारा ली गई ७ अंतरिक्ष यान३ (नासा फोटो). (ख) एक गड्ढा में ठीक धूल जमा, तथाकथित ' धूल तालाब ' पर क्षुद्रग्रह 433 इरोज द्वारा लिया गया उल्कापिंड अंतरिक्ष यान9के पास । तीर और वृत्त पूर्व-विद्यमान toporgraphies को इंगित करता है । स्क्वायर एक छोटे पृथक धूल तालाब पर प्रकाश डाला गया । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2. प्रायोगिक तंत्र और सेटअप । (एक) बीम इलेक्ट्रॉनों के साथ एक थर्मल प्लाज्मा को धूल जोखिम के लिए प्रयोगात्मक सेटअप की योजनाबद्ध, बीम इलेक्ट्रॉनों केवल या यूवी विकिरण केवल26। (ख) कक्ष और (ग) वैक्यूम चैंबर के चित्र के अंदर यूवी प्रयोग के लिए सेटअप दिखा चित्र । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3. मचान धूल के पथ की छवियां26। के लिए जोखिम (एक) 120 ev बीम इलेक्ट्रॉनों के साथ प्लाज्मा, (ख) 120 ev बीम इलेक्ट्रॉनों, और (ग) यूवी विकिरण, क्रमशः । में एक नीला बॉक्स (क) मचान धूल कणों की गति पर प्रकाश डाला गया । (c) में एक नीला बॉक्स एक ज़ूम दृश्य के साथ एक उदात्त धूल कण के पथ पर प्रकाश डाला गया. मचान धूल कणों अलग कणों के अलावा व्यास में 140 मीटर के रूप में बड़े रूप में समुच्चय शामिल (38-व्यास में 45 मीटर) । इस आंकड़े को वांग एट अल द्वारा कागज से संशोधित किया गया है । 26. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए कृपया यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्र 4. यूवी विकिरण के तहत धूल moblization के कारण सतह परिवर्तन की समय चूक । यूवी तरंग दैर्ध्य धूल की सतह पर 16 मेगावाट/cm2 के फोटॉन विकिरण के साथ 172 एनएम है । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्र 5. समझौता प्रभारी मॉडल26। एक केंद्र में दिखाया microcavity पड़ोसी धूल कणों (ग्रे हलकों) द्वारा बनाई गई है । नीले सतह पैच फोटॉनों और/या इलेक्ट्रॉनों और आयनों के संपर्क में हैं । वे क्यूख और simultanously फेंकना फोटो और/या माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों के लिए चार्ज किया जाता है । इन उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों का एक अंश फिर से microcavity अंदर अवशोषित कर रहे हैं और आसपास के धूल कणों के लाल सतह पैच पर संचित, उन्हें नकारात्मक क्यू के लिए चार्जआर कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

दशकों के लिए, वायुहीन निकायों के regolith पर इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन की समस्या एक खुला सवाल है कि कैसे regolith धूल कणों पर्याप्त बड़े शुल्क हासिल करने के लिए जुटाए या बुलंद बने रहे । हाल ही में प्रयोगशाला अध्ययन26,27 मौलिक इस समस्या की समझ को उंनत किया है ।

यहां, यह तीन हाल ही में विकसित प्रयोगों के लिए धूल चार्ज और बीम इलेक्ट्रॉनों, बीम इलेक्ट्रॉनों केवल या यूवी केवल विकिरण के साथ थर्मल प्लाज्मा में जुड़ाव दिखाने के प्रदर्शन किया है । इन प्रयोगों में प्रमुख तत्व के लिए माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों या photoelectrons बनाने के लिए धूल भरी सतहों से उत्सर्जित किया जाता है । के रूप में पिछले काम26में दिखाया गया है, यह संभावना है कि इन उत्सर्जित इलेक्ट्रॉनों में काफी हद तक बढ़ाया नकारात्मक शुल्क में परिणाम कर सकते है धूल की वजह से उनके पुनः अवशोषण धूल सतह के नीचे microcavities के अंदर कणों । विस्तृत तंत्र हाल ही में विकसित और सफलतापूर्वक सत्यापित "समझौता प्रभारी मॉडल" 26,27के साथ वर्णित है ।

प्रोटोकॉल चरण 1 और 2 में, धूल कणों सीधे 100 eV ऊपर ऊर्जा के साथ बीम इलेक्ट्रॉनों को उजागर करने के लिए माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों कुशलतापूर्वक36बनाने की जरूरत है । पूर्वाग्रह रेशा को वोल्टेज पहले सेट किया जाना चाहिए, तो हीटिंग वोल्टेज में वृद्धि जब तक वांछित उत्सर्जन वर्तमान तक पहुंच गया है, के रूप में प्रोटोकॉल 3.3.1 में वर्णित है । अगर धूल कणों स्थानांतरित या मचान नहीं कर रहे हैं, यह संकेत हो सकता है धूल की सतह की क्षमता इतनी नकारात्मक है कि माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों के निर्माण दबा दिया जाता है बनने के लिए बीम ऊर्जा का अनुसरण करता है । यह रेशा वोल्टेज की स्थापना पर एक गलत आपरेशन के कारण हो सकता है, के रूप में प्रोटोकॉल 3.3.2 में वर्णित है ।

प्रोटोकॉल चरण 3 में, यूवी लैंप की तरंग दैर्ध्य 170 एनएम या कम होना चाहिए ताकि यूवी फोटॉनों की ऊर्जा काफी photoelectrons कुशलतापूर्वक उत्सर्जन करने के लिए धूल की सतह के कार्य समारोह से बड़ा कर रहे हैं । धूल जुटाना काफी हद तक धूल के कणों के बीच एकजुट ताकतों पर निर्भर करता है, जो विभिन्न रचनाओं के साथ भिन्न हो सकते हैं । मार्स simulant को सबसे आसान मूव दिखाया गया.

इन प्रयोगों से पता चलता है कि धूल के कण (दसियों माइक्रोन के व्यास में) कुछ सेंटीमीटर ऊँचे तक कूद सकते हैं. यह ऊंचाई चंद्रमा की सतह पर दसियों सेंटीमीटर के बराबर है, चंद्र क्षितिज चमक की ऊंचाई के समान । यह स्पष्ट नहीं है कि क्या चमक बैलिस्टिक hopping या धूल कणों के उत्तोलन के कारण होता है । इन प्रयोगों से संकेत मिलता है कि पूर्व की एक अधिक संभावना की व्यवस्था है । यह दिखाया गया है कि इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल जुटाने चिकनी सतहों के गठन के लिए नेतृत्व कर सकते हैं, जो धूल क्षुद्रग्रह इरोज9 और धूमकेतु 67P10पर गठित तालाबों के लिए प्रासंगिक हो सकता है, और शनि के बर्फीले चंद्रमा एटलस के अत्यधिक चिकनी सतह12।

अंत में, इन प्रयोगों से पता चलता है कि इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन के लिए वायुहीन ग्रहों निकायों की सतहों को आकार देने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाने की उंमीद है और असामांय सतह घटना की एक संख्या के लिए जिंमेदार हो सकता है । यहां का प्रदर्शन किया तरीकों दोनों प्रयोगशाला प्रयोग और भविष्य में मॉडलिंग सहित अधिक उंनत अध्ययन के लिए एक दरवाजा खोला ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

यह काम नासा/SSERVI के प्लाज्मा, वायुमंडल और ब्रह्मांडीय धूल (प्रभाव) और नासा सौर प्रणाली कार्य कार्यक्रम (अनुदान संख्या: NNX16AO81G) द्वारा मॉडलिंग के लिए संस्थान द्वारा समर्थित किया गया था ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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References

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पर्यावरण विज्ञान 134 अंक धूल चार्ज इलेक्ट्रोस्टैटिक धूल परिवहन धूल भरी प्लाज्मा photoelectrons माध्यमिक इलेक्ट्रॉनों regolith वायुहीन शरीर चंद्रमा क्षुद्रग्रह सतह प्रक्रियाओं
पराबैंगनी विकिरण या प्लाज्मा के लिए जोखिम के साथ सतहों पर धूल चार्ज और जुड़ाव के प्रायोगिक तरीकों
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Wang, X., Schwan, J., Hood, N., Hsu, … More

Wang, X., Schwan, J., Hood, N., Hsu, H. W., Grün, E., Horányi, M. Experimental Methods of Dust Charging and Mobilization on Surfaces with Exposure to Ultraviolet Radiation or Plasmas. J. Vis. Exp. (134), e57072, doi:10.3791/57072 (2018).

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