Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Environment
Click here for the English version

Environment

שיטות נסיוניות של אבק טעינה והתגייסות על משטחים עם חשיפה לקרינה אולטרה סגולה או פלזמות

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

אבק טעינה והתגייסות הוא הפגינו 3 ניסויים עם חשיפה פלזמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינה אולטרה סגולה (UV) בלבד. ניסויים אלה מציגים את ההבנה מתקדמת של אבק אלקטרוסטטית תחבורה ותפקידו בעיצוב המשטחים של גופים פלנטריים ומחניק.

Abstract

יש כבר שיערו אבק אלקטרוסטטית התחבורה להסביר מספר תצפיות התופעות פלנטרית יוצאת דופן. . הנה, הוכח באמצעות שלושה לאחרונה פיתחה ניסויים אילו אבק חלקיקים נחשפים פלזמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינה אולטרה סגולה (UV) בלבד. מקור האור UV יש רוחב פס צר של גל שמרכזו בנקודה 172 ננומטר. קרן האלקטרונים עם האנרגיה של 120 eV נוצרים עם פילמנט חם מוטה באופן שלילי. כאשר תא ואקום מלא הגז ארגון, מסך פלזמה תרמי נוצר בנוסף כשקרן האלקטרונים. חלקיקי אבק בידוד של כמה עשרות מיקרונים בקוטר משמשים בניסויים. חלקיקי אבק נרשמים כדי להיות lofted לגובה עד כמה סנטימטרים עם מהירות השיגור עד 1 m/s. ניסויים אלה מדגימים כי פליטת צילום ו/או משני אלקטרונים מפני-שטח מאובק משתנה מנגנון טעינה של חלקיקי אבק. על-פי פיתחה לאחרונה "שתוקנה מודל תשלום", האלקטרונים הנפלטים יכול להיקלט מחדש בתוך microcavities בין שכנים חלקיקי אבק מתחת לפני השטח, גורם להצטברות של מטענים שליליים משופרת על האבק שמסביב חלקיקי. כוחות דוחה בין אלה אניון חלקיקים עשוי להיות גדול דיו כדי לגייס ולהרים אותם מעל פני השטח. ניסויים אלה מציגים את ההבנה מתקדמת של אבק הטעינה וההובלה על משטחים מאובק, והניח בסיס לחקירות עתידיות של תפקידה באבולוציה משטח של גופים פלנטריים ומחניק.

Introduction

גופים פלנטריים ומחניק, כגון אסטרואידים, והירח מכוסים אבק דק חלקיקים הנקראים רגולית. גופים אלה ומחניק, שלא כמו כדור הארץ, חשופים ישירות רוח השמש פלאזמה וסולארית קרינה אולטרה סגולה (UV), גורם האבק רגולית להיות טעונה. אלה טעונה חלקיקי אבק ייתכן לכן גייסה, lofted, מועבר, או אפילו נפלט ויש איבד מן השטח בשל כוחות אלקטרוסטטית. הראשונה הציעה ראיות של תהליך אלקטרוסטטית זה היה מה שמכונה "אופק הירח הזוהר", זוהר ברורים מעל האופק המערבי נצפתה זמן קצר לאחר שקיעת החמה על ידי מודד 5, 6, ו-7 חלליות חמישה עשורים לפני (איור 1 א')1, 2,3. זה היה שיערו כי זוהר זה נגרם על-ידי אור השמש המתפזרת את חלקיקי אבק electrostatically lofted (5 μm radius) לגובה < 1 מ' מעל פני השטח ליד הירח שליחות קטלנית1,2,3. אבק דק electrostatically המשוחררים הוצע גם להיות אחראי לסרטים כמו ריי להגיע בגובה שדווחו על-ידי4,האסטרונאוטים אפולו5.

מאז ההבחנות הללו אפולו, מספר תצפיות על גופים איירלס אחרים היו גם מקושר למנגנונים של אבק אלקטרוסטטית גיוס או לופטינג, כמו החישורים רדיאלי של שבתאי טבעות6,7, 8, אגמים אבק על האסטרואיד ארוס (איור 1b)9 , שביט P 6710, משטחים נקבוביים המצוין של ספקטרה האסטרואידים הראשית-החגורה11, המשטח באופן יוצא דופן חלקה של שבתאי הקפוא הירח אטלס12, ו רגולית-מערבולות ירחי13. בנוסף, ההשפלה של retroreflectors לייזר על פני הירח יכול גם להיגרם על ידי ההצטברות של אבק electrostatically lofted14.

במחקרי מעבדה יש כבר מונעים בעיקר על-ידי אלה תצפיות שטח יוצאת דופן כדי להבין תהליכים פיזיים להטענת אבק ומובילים. גיוס אבק נצפתה בתנאים שונים פלזמה, שבו חלקיקי אבק נושרים הנחה מ זכוכית כדור משטח15,16, התרוממתי פלזמה מעילי פרווה17, והקליט להמשיך הלאה ניצוח והן בידוד משטחים18,19,20,21. עם זאת, כמה חלקיקי אבק לצבור מטענים גדולים מספיק כדי להיות lofted או גייסה נשארו ממעטים להבין. המדידות של תשלומים על חלקיקי אבק בודדים על פני שטח חלקה22 , הצפיפות הממוצעת תשלום מאובק משטח23 שקוע פלזמות מראים כי ההאשמות קטן מדי עבור חלקיקי אבק lofted או גייסה.

תיאוריות קודמות16,24,25, ההטענה רק נחשב מתרחשים על פני השכבה העליונה ישירות החשוף ל- UV או פלסמה. חיובים נחשבות לעתים קרובות יחולקו בצורה אחידה על פני מאובק כולו, כלומר., כל חלקיק אבק הפרט רוכש את אותה כמות של תשלום, שתיאר את מה שנקרא "משותפת מודל תשלום"16. עם זאת, ההאשמות שמחושבים מודל זה הן הרבה יותר קטן מאשר כוח הכבידה לבד. תיאוריה תנודות תשלום חשבונות עבור תהליך סטוכסטי פלקסים של אלקטרונים, יונים פני16,24 מציג שיפור זמני, כוח אלקטרוסטטי, אבל זה נשאר קטן בהשוואה כוח כבידה.

בנייר זה, אבק אלקטרוסטטית לופטינג והתגייסות הוכח באמצעות שלושה לאחרונה פיתחה ניסויים26, אשר חשובים להבנת אבק הובלה על רגולית של גופים פלנטריים ומחניק. ניסויים אלה מבוצעות בתנאים של פלסמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינת UV בלבד. ניסויים אלה מדגימים את תוקפו של פיתחה לאחרונה "מודל תשלום שתוקנה"26,27, ב microcavities אשר נוצר בין שכנים חלקיקי אבק מתחת לפני השטח יכול מחדש לספוג את התמונה הנפלט ו/או משני אלקטרונים, יוצר גדול שליליות חיובים על המשטחים של חלקיקי האבק שכנות. כוחות דוחה בין ההאשמות שלילי יכול להיות גדול דיו כדי לגייס או תמריא חלקיקי האבק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הגדרת תא ואקום

  1. מקום בידוד גומי גיליון (0.2 ס"מ, 5 ס מ קוטר) עם חור מרכזי 1.9 ס מ קוטר בצלחת בידוד (בעובי 2 ס מ ו- 20 ס מ קוטר) (איור 2 א, ב'). לטעון בידוד, ומתפשטים בצורת חלקיקי אבק (בין 10 ל-50 μm בקוטר) בתוך החור.
  2. מניחים את הצלחת בידוד על פסל עומד לוחית המתכת באמצע תא ואקום. חשמלית לבודד את לוחית המתכת מן החדר באמצעות קרמיקה המצבים.
  3. להפעיל את משאבות ואקום (משאבה טורבו מגובה על ידי משאבה roughing מכני) כדי להגיע ללחץ הבסיס ~ 10-6 טנדר של גוה של. המפגינים הניסויים מתבצעים בתוך תא ואקום גלילי פלדה אל חלד, 50 ס מ בקוטר של 28 ס מ גבוה (איור 2 c).
  4. רשומות התנועה אבק של לופטינג עם מצלמת וידאו במהירות רגילה של 30 מסגרות לשנייה (fps) או מצלמה במהירות גבוהה (> 2000 fps). להשתמש נורית LED עם ההארה המקסימלי שווה ערך ל > 500W incandesce אור כדי לייצר מספיק תאורה על חלקיקי האבק עבור הקלטת וידאו באיכות טובה.
    הערה: שימוש הגומי הוא בגלל הצבע הכהה שמקטינה את השתקפות האור למצלמה. חלקיקי אבק בהיר אמור לשמש לצילום טוב יותר בשל הניגוד צבע על פני השטח האפל גומי. הצלחת בידוד עבה משמשת עבור ביטול ההשפעה של שדה חשמלי בין פני השטח של הלוח בידוד לוחית המתכת על אבק טעינה של גיוס. בהפגנה הזו, שימשו מאדים simulant (JSC-מארס-1, sieved קוטר 38-48 μm מרושע, צפיפות המוניים של 1.9 גרם/ס"מ-3 והרכב הגדולות של2 SiO 28), אשר דומה האבק רגולית כללי של גופים איירלס הפנימי מערכת השמש. סוגים שונים של בידוד חלקיקי אבק נבדקו גם, כגון הירח simulant (JSC-1), simulant ירחי היילנד (LHT), אבק סיליקה טהורה.

2. חשיפה פלזמה תרמי עם אלומת האלקטרונים

  1. לצרף של נימה טונגסטן thoriated (0.1 מ"מ עובי ו ~ 3 ס מ) מוזנים אלקטרודה ולהתקין אותו על ראש הלשכה. ואז לשאוב את החדר עד הלחץ הבסיסי.
  2. למלא תא ואקום גז ארגון הלחץ של ~ 0.5 mTorr.
  3. להפעיל את ספקי כוח ולהגדיר את המתח הסטייה-120 V הסיב.
  4. . תגביר את המתח חימום כדי החימום הנוכחי ~ 2A עד הפליטה הנוכחי מגיע ערך הרצוי (כמה-תואר שני). באלקטרונים אנרגטיים עם האנרגיה של 120 eV שיבוצעו מחוט הלהט.
    הערה: דמויי אלומת האלקטרונים הראשית להשפיע אטומים ניטרליים ארגון, גורם להם להיות מיונן ויצירת מסך פלזמה עם טמפרטורה האלקטרונים סביב 2 eV. חלק גדול של האלקטרונים הקורה הראשית מגיעה ישירות לפני השטח מאובק ללא התנגשויות עם אטומים ניטרליים. חלקיקי אבק נחשפים ולכן הן תרמית פלאזמה וקרן האלקטרונים.
  5. כדי להציג את התפקיד של קרן אנרגטי אלקטרונים בתחבורה אבק, השתמש פעולה אלטרנטיבית של יצירת מסך פלזמה תרמי מעל חלקיקי אבק.
    1. להפעיל נימה חלופי בחלק התחתון של החדר עם המתח הסטייה-40 V ופליטה הנוכחי עד 400 mA (איור 2 א). ראשי האלקטרונים הנפלטים נימה תופסק על ידי את לוחית המתכת מתחת לצלחת מעליב שבו חלקיקי האבק לנוח (איור 2 א, ב').
    2. משתנים הפליטה הנוכחית כדי לשנות את השדה החשמלי מעל פני השטח. זרם גבוה יותר יוצר צפיפות גבוהה יותר פלזמה, נדן דק יותר, ובכך שדה חשמלי גדול יותר.

3. חשיפה קרן אלקטרונים בלבד

  1. הגדרת הניסוי כפי שמתואר על הניסוי הנ ל באמצעות חוט הלהט העליון.
  2. להפעיל את הסיב העליונה תחת לחץ בסיס 10-6 טנדר של גוה של (כלומר., אין גז ארגון האכיל בבית הבליעה). אין פלסמה נוצר בזמן רק 120 eV קרן האלקטרונים הנפלטים להפציץ הלהט חלקיקי האבק.
  3. מפעילים את הסיב בשני מצבים שונים.
    1. הגדר את המתח הסטייה כ-120 V, אז תגביר את המתח חימום עד הפליטה הנוכחי מגיע אמא כמה.
    2. . תגביר את המתח חימום להגיע חימום הרצויה הנוכחי ~ 2 A, אז תגביר את המתח הסטייה בין 0 V בהדרגה ל-120 V לפלוט אלקטרונים עם זרם הפליטה של אמא כמה.

4. חשיפה לקרינה UV רק

  1. החלף את הסיב העליון עם מנורת UV (איור 2b) וחדר משאבת למטה התא על-ידי הבסיס. השתמש מנורה Osram excimer קסנון, אשר פולט אור באורך גל nm 172 UV. אנרגית הפוטון המתאים הוא 7.2 eV, שגודלם פונקציית העבודה של המשטח אבק (~ 5.5 eV) על מנת לפלוט photoelectrons.
    הערה: אורך גל קצר יותר UV המוקרנת פוטונים באנרגיה גבוהה יותר צפוי ליצור חיובים נוספים על חלקיקי האבק והתגייסות ולכן יותר, המבוסס על תשלום תוקנו דגם26,27.
  2. הפעל את מנורת UV להקרין חלקיקי אבק. בהפגנה irradiance פוטון הוא 40 mW/cm-2 במקור UV ו ~ mW/cm 16-2 על פני מאובק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ערכה של הניסויים בוצעו באמצעות חוטים העליונים או התחתונים. עם הגדרת פילמנט העליון, מקפץ של חלקיקי האבק הוקלט (איור 3 א). לעומת זאת, חלקיקי האבק נשאר במנוחה כאשר באמצעות חוט הלהט התחתון. זה היה נמדד השדה החשמלי אנכי על פני השטח היה כ זהה (16 V/ס מ) שני ניסויים בתנאים המתוארים שלב 2 פרוטוקול26. תוצאות אלו מצביעות על כוח אלקטרוסטטי עקב שדה חשמלי מעטפת זו, אינו גדול מספיק כדי לגייס את חלקיקי אבק. ההבדל היחיד בין שני ניסויים אלה הוא נוכחות (באמצעות חוט הלהט העליונה) או היעדרות (באמצעות חוט הלהט התחתון) של קרן אלקטרונים להפגיז את פני השטח.

פוטנציאל מעבר האבק ומחוץ משטחי גומי נמדדת וואנג ואח. 26 הראו כי משני אלקטרונים נוצרו עקב ההפצצה של האלקטרונים קרן האנרגטי בעת ממוזערת ב פלזמה שבו האלקטרונים נמצאים thermalized. חשוב מכך, מדידות פוטנציאליים אלה הראו כי הפליטה משני אלקטרונים צומצם במידה רבה על משטח מאובק, משווה את זה על משטח מוצק26. . זה ככל הנראה בגלל החספוס משטח יכול לספוג מחדש את האלקטרונים הנפלטים20,29,30,31,32,33.

כפי שמתואר פרוטוקול 3.3.1, משני אלקטרונים נוצרים ברגע 120 eV קרן האלקטרונים הנפלטים להישג פילמנט פני השטח, גורם פוטנציאל השטח לעלות חיוביות יותר מ-120 V. במקרה זה, חלקיקי האבק היו גייסה, lofted מעל פני השטח (איור 3b). ב. 3.3.2, הוקלט אין תנועה אבק. זה היה נמדד כי פני השטח פוטנציאליים פשוט עוקב אחר המתח הסטייה פילמנט להפוך-120 V26. זה בגלל המתח פילמנט מתחיל קטן מאוד, כלומר. האנרגיה של אלקטרונים קרן המתאים הוא נמוך מאוד, התשואה משני אלקטרונים הוא אפסי ולכן הפוטנציאל משטח שווה לאנרגיה של קרן האלקטרונים (eV) כדי לעצור אותם לשמור על זרם אפס-net באיזה מצב שיווי משקל. תוספת מתח הלהט הוא הדרגתי, לעומת התגובה פלזמה, כך תוספת מתח הוא קטן מדי כדי ליצור כל האלקטרונים משנית. לכן, פני השטח פוטנציאליים בעקבות המתח נימה, גורם קרן האלקטרונים למנוע מיהודים להגיע המשטח, ולכן דיכוי הפליטה משני אלקטרונים. שוב, ניסוי זה מראה כי הדור של אלקטרונים משני באופן משמעותי ותורם תהליך הטעינה וההובלה של אבק.

האבק מקפץ נרשם תחת קרינת UV nm 172 (איור 3 c). נדן photoelectron נוצר מעל פני השטח, שבו השדה החשמלי הוא קטן מאוד ~ 0.5 V/ס מ34. הכוח אלקטרוסטטית עקב שדה חשמלי מעטפת לכן זניח. כפי שהראה Schwan ואח. 27, חלקיקי אבק lofted תחת קרינת UV לשאת מטענים שליליים גדולים. תוצאה זו סותרת את המטען החיובי הצפוי בשל photoemission זמן הוא מסכים עם "המודל הטעינה תוקנו" המתוארת להלן.

חשיפה ארוכה של חלקיקי האבק מתחת קרינת UV גם בוצעה. איור 4 מציג את השינויים המורפולוגיה משטח כפונקציה של הזמן. פני השטח הופך חלקה יותר, בסופו של דבר מתיישר, מציע תהליך יעיל עבור בריכות האבק נוצרו על האסטרואיד ארוס (איור 1b), לדוגמה.

הניסויים שלושה הפגינו לעיל זה אבק לופטינג מתרחשת כאשר צילום ו/או משני אלקטרונים נפלטים ממשטח מאובק, האלקטרונים הנפלטים יכול להיקלט מחדש בתוך השטח בשל החספוס שלה. "שתוקנה מודל תשלום" שפותחה על ידי וואנג ואח. 26 התבססה על שני ממצאים אלה, להלן בקצרה סקירה.

כפי שמוצג באיור 5, בניגוד משטח מוצק חלק, microcavities נוצרות בין חלקיקי אבק מתחת משטח רגולית. המשטחים העליונים (כתמים כחולים) יחול על ידי גרין עקב קרינת UV ו/או פלזמה אלקטרונים, יונים. ישנם פתחים קטנים בין חלקיקי אבק על המשטח העליון. כמה פוטונים UV, או אלקטרונים ו יונים יכולים לחדור דרך פתחים קטנים אלה על גבי חלקיקי האבק מתחת לפני השטח העליון, יצירת photoelectrons ו/או משני אלקטרונים. רבים של האלקטרונים הנפלטים לא בורחים, נספגים מחדש בתוך האישומים שלילי microcavity ופיקדון על המשטחים של החלקיקים הסביבה (כתמים אדומים).

האחראי על המדבקות משטח כחול הוא Qb Equation Eb, Eb איפה השדה החשמלי נדן מעל פני השטח מאובק. המדבקות אדום מחויב ל Qr Equation Er, כאשר Er הוא שדה חשמלי בתוך microcavity. Eb Equation 1 / λדה, כאשר λדה הוא אורך דביי תוך Er Equation 1/r, איפה הם הוא הרדיוס חלקיק אבק בודדים, כ דומה לגודל microcavity האופיינית. בגלל λדה >> r, Er >> Eb ולכן Qr >> Qb. הr -מטען שלילי במידה רבה משופרת Q עלולים ליצור גדול מספיק כוח דוחה בין שני חלקיקים טעונים שלילית, אשר פולט אותם מעל פני השטח. פיקדונות תשלום גדולים (גודל μC/m 0.52) בתוך משטח מאובק בשל הספיגה מחדש של photoelectrons גם הן נצפו סימולציה מחשב35. 

Figure 1
איור 1. תמונות של דוגמאות שתי התופעות שעל פני השטח יוצא דופן הקשורים תחבורה אבק אלקטרוסטטית. (א) אופק הירח הזוהר שצולמו על ידי חללית 7 סרוויור3 (צילום: נאס א). (ב) בסדר את אבק פיקדונות במכתש, מה שנקרא "אבק פונד" על האסטרואיד 433 Eros שצולמו על ידי חללית הקרוב-סנדלר9. חצים ועיגול מציינים toporgraphies הקיימת מראש. כיכר מדגיש בריכה קטנה אבק מבודד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
באיור 2. מכשיר ניסיוני וההתקנה. (א) מפרטים טכניים של ההתקנה ניסיוני חשיפה אבק פלזמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינת UV רק26. (ב) תמונה המציגה את ההגדרה עבור הניסוי UV בתוך התמונה קאמרית ו- (ג) של תא ואקום. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3. תמונות של מסלולים של אבק lofted26. חשיפה (א) פלזמה עם 120 eV קרן אלקטרונים eV 120 (ב) קרן אלקטרונים, קרינת UV (ג), בהתאמה. תיבה כחולה (א) מדגיש מסלולים של חלקיקי האבק lofted. תיבה כחולה ב (ג) מדגיש את המסלול של חלקיק אבק lofted עם תצוגה מוגדלת. חלקיקי האבק lofted כוללים אגרגטים גדולים כמו 140 מ' קוטר חוץ חלקיקים בודדים (38-45 מ' קוטר). איור זה השתנה מן הנייר על ידי וואנג. et al. 26. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
באיור 4. זמן לשגות שינוי פני השטח moblization אבק מתחת קרינת UV. אורך הגל UV הוא 172 nm עם irradiance פוטון של mW/cm 162 על פני מאובק. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5. מודל תשלום תוקנו26. Microcavity המוצגות במרכז נוצר על ידי שכנים חלקיקי אבק (עיגולים אפורים). המדבקות משטח כחול נחשפים פוטונים ו/או אלקטרונים, יונים. הם מואשמים Qb , simultanously פולטים צילום ו/או משני אלקטרונים. שבריר של האלקטרונים הנפלטים מחדש נספג פנימה microcavity, להצטבר על המדבקות השטח האדום של חלקיקי האבק שמסביב, טוען אותם באופן שלילי ל Qr. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

במשך עשורים, בעיית התחבורה אבק אלקטרוסטטית רגולית הגופות איירלס נותרה שאלה פתוחה כמה חלקיקי אבק רגולית רווח חיובי גדול מספיק כדי להיות גייסה או lofted. האחרונות מעבדה מחקרים26,27 קידמו באופן מהותי את ההבנה של בעיה זו.

. הנה, זה והפגינו 3 ניסויים שפותחו לאחרונה להראות אבק טעינה והתגייסות בפלסמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינת UV בלבד. רכיב המפתח בניסויים אלה היא ליצור משני אלקטרונים או photoelectrons כדי להיות הנפלטים שטח מאובק. כפי שמוצג עבודה קודמות26, סביר להניח כי האלקטרונים הנפלטים עלולים לגרום החיוב שלילי משופרת במידה רבה על חלקיקי האבק עקב ספיגה מחדש שלהם פנימה microcavities מתחת לפני השטח מאובק. מנגנון מפורט מתוארים שפותחו לאחרונה ומאומת בהצלחה "שתוקנה מודל תשלום" 26,27.

פרוטוקול שלב 1 ו-2, חלקיקי אבק צריך להיחשף ישירות לשגר אלקטרונים עם אנרגיות מעל 100 eV ליצירת משני אלקטרונים ביעילות36. הסטייה מתח על חוט הלהט יש להגדיר תחילה ולאחר מכן להגדיל את המתח חימום עד הפליטה הרצוי הנוכחי הגיעה, כפי שמתואר פרוטוקול 3.3.1. אם חלקיקי אבק לא עברה או lofted, זה עשוי להצביע על שהשטח האבק הפוטנציאליים בעקבות קרן האנרגיה להיות כל כך שלילית כי היצירה של אלקטרונים משני מדוכא. זה יכול להיגרם על ידי פעולת הלא נכון על הגדרת החשמלי נימה, כפי שמתואר פרוטוקול 3.3.2.

פרוטוקול בשלב 3, אורך הגל של המנורה UV צריך להיות 170 nm או קצר יותר כך האנרגיות של פוטונים UV הם גדול יותר באופן משמעותי מאשר פונקציית העבודה של המשטח אבק על מנת לפלוט את photoelectrons בצורה יעילה. גיוס אבק תלויה, במידה רבה כוחות אחידים בין חלקיקי אבק, אשר עשוי להשתנות עם יצירות שונות. מאדים simulant הוצגה להיות הכי קל לעבור.

ניסויים אלה מראים כי חלקיקי אבק (עשרות מיקרונים בקוטר) יכול לקפוץ עד כמה סנטימטרים גבוה. הגובה הזה שווה ל עשרות סנטימטרים על פני השטח של הירח, דומה לגובה של הזוהר אופק הירח. . זה לא ברור אם הזוהר נגרמת על ידי בליסטי מקפץ או ריחוף של חלקיקי אבק. ניסויים אלה מראים כי אחד לשעבר הוא מנגנון סביר יותר. זה הוצג כי אבק אלקטרוסטטית גיוס יכול להוביל להיווצרות של משטחים חלקים, אשר עשוי להיות רלוונטי בריכות אבק שנוצר על האסטרואיד ארוס9 ו שביט P 6710, והמשטח מאוד חלקה של הירח של שבתאי הקפוא אטלס12.

לסיכום, ניסויים אלה מראים כי אבק אלקטרוסטטית התחבורה צפוי לשחק תפקיד משמעותי בעיצוב המשטחים של גופים פלנטריים ומחניק, עשוי להיות אחראי על מספר התופעות שעל פני השטח יוצא דופן. השיטות המודגמות כאן פתחה דלת ללימודי מתקדמים יותר כולל שני ניסוי מעבדה, מידול בעתיד.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על-ידי המכון של נאס א/SSERVI עבור מידול פלזמה, אטמוספרות, אבק קוסמי (ההשפעה), על-ידי התוכנית במנגנון של מערכות סולאריות נאס א (להעניק את המספר: NNX16AO81G).

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , Springer. New York. 545-556 (1973).
  2. Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
  3. Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006 (2007).
  4. McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991 (1974).
  5. 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).
  6. Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
  7. Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
  8. Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn's spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
  9. 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).
  10. Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17 (2015).
  11. Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
  15. 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).
  16. Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504 (2006).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501 (2011).
  25. Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703 (2016).
  26. 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).
  27. 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).
  28. Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77 (2013).
  34. 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).
  35. Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
  36. 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).

Tags

מדעי הסביבה נושא 134 אבק טעינה אבק אלקטרוסטטית תחבורה פלזמה מאובק photoelectrons משני אלקטרונים רגולית גופים ומחניק הירח אסטרואידים מעל פני הים
שיטות נסיוניות של אבק טעינה והתגייסות על משטחים עם חשיפה לקרינה אולטרה סגולה או פלזמות
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter