Summary
Ricarica di polvere e di mobilitazione è dimostrata in tre esperimenti con l'esposizione al plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazione ultravioletta (UV) solo. Questi esperimenti presentano la conoscenza avanzata di trasporto di polvere elettrostatica e il suo ruolo nel modellare le superfici di corpi planetari airless.
Abstract
Trasporto di polvere elettrostatica è stata supposta per spiegare una serie di osservazioni di insoliti fenomeni planetari. Qui, è dimostrato utilizzando tre recentemente sviluppato esperimenti in cui polvere particelle sono esposti a plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazione ultravioletta (UV) solo. La sorgente di luce UV ha una larghezza di banda stretta di lunghezza d'onda centrato a 172 nm. I fasci di elettroni con energia di 120 eV vengono creati con un filamento caldo negativamente polarizzato. Quando la camera a vuoto viene riempita con il gas argon, viene creato un plasma termico oltre il fascio di elettroni. Particelle di polvere isolante di poche decine di micron di diametro vengono utilizzate negli esperimenti. Le particelle di polvere vengono registrate per essere con soppalco per un'altezza fino a pochi centimetri con una velocità di lancio fino a 1 m/s. Questi esperimenti dimostrano che la emissione di foto e/o elettroni secondari da una superficie polverosa cambia il meccanismo di tariffazione delle particelle di polvere. Secondo il recentemente sviluppati "patchato modello addebito", gli elettroni emessi possono essere ri-assorbiti all'interno di microcavità tra vicini particelle di polvere sotto la superficie, causando l'accumulo di cariche negative avanzate sulla polvere circostante particelle. Le forze repulsive tra questi negativamente le particelle possono essere abbastanza grandi per mobilitare e sollevarli dalla superficie. Questi esperimenti presentano la conoscenza avanzata di polvere di carico e trasporto su superfici polverose e gettato le basi per le indagini future del suo ruolo nell'evoluzione superficie di corpi planetari airless.
Introduction
Airless corpi planetari, come la luna e gli asteroidi, sono ricoperte di particelle di polveri sottili chiamate regolite. Questi corpi senz'aria, a differenza di terra, sono direttamente esposti al plasma del vento solare e radiazione ultravioletta solare (UV), causando la polvere di regolite da imputare. Questi caricati di particelle di polvere possono pertanto essere mobilitate, con soppalco, trasportate, o anche espulso e perso dalla superficie a causa di forze elettrostatiche. Il primo ha suggerito la prova di questo processo elettrostatico era il cosiddetto "orizzonte lunare bagliore", un bagliore sopra l'orizzonte occidentale osservato poco dopo il tramonto dalla sonda Surveyor 5, 6 e 7 cinque decenni fa (Figura 1a)1, 2,3. È stato ipotizzato che questo bagliore è stato causato dalla luce del sole sparsi fuori dalle particelle di polvere elettrostaticamente con Loft (raggio 5 μm) ad un'altezza di < 1 m sopra la superficie vicino al terminatore lunare1,2,3. Elettrostaticamente rilasciato polveri sottili è stato anche suggerito di essere responsabile per i bagliori di ray-come raggiungere un'elevata altitudine segnalata il4,di astronauti Apollo5.
Sin da quando queste osservazioni di Apollo, un numero di osservazioni sopra altri corpi senz'aria era inoltre collegati ai meccanismi della mobilitazione di polvere elettrostatica o lofting, quali i raggi radiali nel Saturno anelli6,7, 8, i laghetti di polvere sull'asteroide Eros (Figura 1b)9 e cometa 67P10, le superfici porose indicato dalla fascia principale degli asteroidi spettri11, insolitamente liscia superficie di Saturno ghiacciata Luna Atlas12e la regolite al lunar turbinii13. Inoltre, la degradazione dei catadiottri laser sulla superficie lunare può essere causata anche dall'accumulo di polvere elettrostaticamente con loft14.
Studi di laboratorio sono stati in gran parte motivati da queste osservazioni insolito spazio al fine di comprendere i processi fisici della carica di polvere e di trasporto. Mobilitazione di polvere è stato osservato in varie condizioni di plasma, in cui le particelle di polvere sono capannone fuori da un vetro sfera superficie15,16, levitare in plasma guaine17e registrata per spostare su entrambi conducendo e isolanti superfici18,19,20,21. Tuttavia, come particelle di polvere guadagno abbastanza grandi spese da Loft o mobilitato rimasta capita male. Le misurazioni delle accuse su particelle di polvere individuali su una superficie liscia22 e la densità di carica media su una superficie polverosa23 immersi in plasmi mostrano che le accuse sono troppo piccole per le particelle di polvere con soppalco o mobilitato.
Nelle teorie precedenti16,24,25, la ricarica è stata considerata soltanto si verificano sullo strato superficiale superiore che è direttamente esposto a UV o al plasma. Spese sono spesso considerate per essere distribuito uniformemente su tutta la superficie polverosa, vale a dire., ogni particella di polvere individuali acquisisce la stessa quantità di carica, descritto dai cosiddetti "carica modello condiviso"16. Tuttavia, le spese calcolate da questo modello sono molto più piccole rispetto alla forza gravitazionale da solo. Una teoria di fluttuazione di carica che rappresenta il processo stocastico dei flussi di elettroni e ioni al superficie16,24 Mostra un aumento temporale la forza elettrostatica, ma rimane piccolo in confronto alla forza gravitazionale.
In questa carta, polvere elettrostatica Loft e mobilitazione è dimostrato utilizzando tre recentemente sviluppato esperimenti26, che sono importanti per comprendere il trasporto di polvere sulla regolite di corpi planetari airless. Questi esperimenti sono eseguiti in condizioni di plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazioni UV solo. Questi esperimenti dimostrano la validità del sviluppato di recente "patchato modello addebito"26,27, in cui microcavità formata tra vicini di particelle di polvere sotto la superficie ri-può assorbire l'immagine emessa e/o gli elettroni secondari, generando grande negativo oneri sulle superfici delle particelle di polvere vicine. Le forze repulsive tra queste cariche negative possono diventare abbastanza grandi per mobilitare o sollevare le particelle di polvere.
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Protocol
1. installazione sottovuoto
- Posizionare un foglio di gomma isolante (spessore 0,2 cm, 5 cm di diametro) con un foro centrale 1,9 cm di diametro su una piastra isolante (spessore 2 cm e 20 cm di diametro) (Figura 2a, b). Particelle di polvere isolante, forma irregolare (tra 10 e 50 μm di diametro) nel foro di carico.
- Posizionare la piastra isolante su una condizione di piastra metallica nel mezzo di una camera a vuoto. Isolare elettricamente la piastra metallica dalla camera utilizzando distanziatori in ceramica.
- Accendere le pompe del vuoto (una pompa turbo sostenuta da una pompa di sgrossatura meccanica) per raggiungere la pressione di base di ~ 10-6 Torr. Gli esperimenti che dimostrano sono effettuati in una camera cilindrica in acciaio inox vuoto, 50 cm di diametro e 28 cm di altezza (Figura 2C).
- Registrare il movimento di polvere e loft con una videocamera a una velocità normale di 30 fps (fps) o una macchina fotografica ad alta velocità (> 2000 fps). Utilizzare una luce LED con la massima illuminazione equivalente a > 500W incandesce luce per produrre sufficiente illuminazione sulle particelle di polvere per la registrazione video di buona qualità.
Nota: Utilizzando la gomma è a causa del suo colore scuro che riduce al minimo la riflessione della luce per la fotocamera. Le particelle di polvere di colore chiaro devono essere utilizzate per fotografare meglio grazie al contrasto di colore per la superficie di gomma scura. La spessa piastra isolante viene utilizzata per eliminare l'effetto del campo elettrico tra la superficie della piastra isolante e placca di metallo sulla polvere ricarica e mobilitazione. In questa dimostrazione, Mars simulante (JSC-Mars-1, ha setacciato il diametro medio di 38-48 μm, densità di massa di 1,9 g/cm-3 e composizione principale di SiO2 28) sono stati utilizzati, che ricorda la polvere di regolite generale dei corpi senz'aria nell'interno sistema solare. Sono stati testati anche vari altri tipi di isolanti di particelle di polvere, come simulante lunare (JSC-1), simulante lunare highland (LHT) e polvere di silice puro.
2. esposizione al plasma termico con fasci di elettroni
- Allegare un filamento di tungsteno toriato (0,1 mm di spessore e ~ 3 cm di lunghezza) a un passante di elettrodo e installarlo nella parte superiore della camera. Quindi pompa della camera alla pressione di base.
- Riempire la camera a vuoto con gas argon alla pressione del ~ 0,5 mTorr.
- Attivare gli alimentatori e impostare la tensione di polarizzazione -120 V per il filamento.
- Aumentare la tensione di riscaldamento per la corrente di riscaldamento ~ 2A fino a quando l'emissione corrente raggiunge un valore desiderato (mA pochi). Elettroni energetici con l'energia di 120 eV saranno emessa dal filamento.
Nota: Questi elettroni primari di fascio-come impatto atomi di argon neutro, causando loro di essere ionizzato e la creazione di un plasma con una temperatura di elettrone circa 2 eV. Una grande frazione degli elettroni del fascio primario raggiunge direttamente la superficie polverosa senza collisioni con gli atomi neutri. Le particelle di polvere sono quindi esposti a entrambi gli elettroni del plasma e fascio termici. - Per mostrare il ruolo degli elettroni del fascio energetico nel trasporto di polvere, utilizzare un'operazione alternativa di creare un plasma termico sopra le particelle di polvere.
- Accendere un filamento alternativo nella parte inferiore dell'alloggiamento con la tensione di polarizzazione -40 V ed emissione corrente fino a 400 mA (Figura 2a). I primari elettroni emessi dal filamento saranno fermati dalla piastra metallica sotto la piastra offensiva in cui le particelle di polvere riposano (Figura 2a, b).
- Variare l'emissione corrente per modificare il campo elettrico sopra la superficie. Alta densità di plasma, più sottile guaina e così più grande campo elettrico crea maggiore corrente.
3. l'esposizione al raggio di elettroni solo
- L'esperimento di installazione come descritto nell'esperimento precedente utilizzando il filamento superiore.
- Accendere il filamento superiore sotto la pressione di base 10-6 Torr (cioè., nessun gas argon alimentati in aula). No al plasma viene creato mentre solo gli elettroni del fascio di 120 eV emessa dal filamento bombarda le particelle di polvere.
- Operare il filamento in due diverse modalità.
- Impostare la tensione di polarizzazione -120 V, quindi aumentare la tensione di riscaldamento fino a quando l'emissione corrente raggiunge pochi mA.
- Aumentare la tensione di riscaldamento per raggiungere una corrente di riscaldamento desiderata ~ 2 A, quindi aumentare la tensione di polarizzazione da 0 V gradualmente a -120 V per emettere gli elettroni con una corrente di emissione di pochi mA.
4. l'esposizione ai raggi UV solo
- Sostituire il filamento superiore con una pompa giù la camera per la pressione di base e lampada UV (Figura 2b). Utilizzare una lampada di Osram xenon ad eccimeri, che emette la luce di lunghezza d'onda di 172 nm UV. L'energia del fotone corrispondente è 7,2 eV, più grande rispetto alla funzione di lavoro della superficie polvere (~ 5,5 eV) al fine di emettere fotoelettroni.
Nota: Lunghezza d'onda UV che irradia fotoni ad alta energia è previsto per creare ulteriori oneri per le particelle di polvere e di conseguenza più mobilitazione, basato sul patch carica modello26,27. - Accendere la lampada UV per irradiare le particelle di polvere. Nella dimostrazione, l'irraggiamento di fotoni è 40 mW/cm-2 alla sorgente UV e ~ 16 mW/cm-2 presso la superficie polverosa.
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Representative Results
Una serie di esperimenti sono stati eseguiti utilizzando i filamenti superiore o inferiore. Con l'installazione di filamento superiore, l'hopping delle particelle di polvere è stato registrato (Figura 3a). Al contrario, le particelle di polvere è rimasto a riposo quando si utilizza il filamento di fondo. È stato misurato che il campo elettrico verticale sulla superficie era circa stesso (16 V/cm) in entrambi gli esperimenti nelle condizioni descritte nel protocollo passaggio 226. Questi risultati indicano che la forza elettrostatica dovuta al campo elettrico guaina non è sufficientemente grande per mobilitare le particelle di polvere. L'unica differenza tra questi due esperimenti è la presenza (usando il filamento superiore) o assenza (usando il filamento inferiore) di fasci di elettroni bombardano la superficie.
Potenzialità in tutta la polvere e fuori superfici di gomma misurate da Wang et al. 26 hanno indicato che gli elettroni secondari sono stati generati a causa del bombardamento di elettroni fascio energetico mentre minimizzato nel plasma in cui gli elettroni sono termalizzati. Ancora più importante, questi potenziali misurazioni hanno dimostrato che l'emissione di elettroni secondari è stata ridotta in gran parte sulla superficie polverosa, confrontando a quello il solido superficie26. Ciò è probabilmente dovuto la rugosità superficiale che può riassorbire gli elettroni emessi20,29,30,31,32,33.
Come descritto nel protocollo 3.3.1, gli elettroni secondari vengono creati una volta che gli elettroni del fascio di 120 eV emessa dalla portata filamento la superficie, causando il potenziale superficiale a crescere per diventare più positivo di -120 V. In questo caso, le particelle di polvere sono state mobilitate e con soppalco dalla superficie (Figura 3b). Al punto 3.3.2, è stato registrato alcun movimento di polvere. È stato misurato che la superficie potenziale segue semplicemente la tensione di polarizzazione del filamento per diventare-120 V26. Questo è perché la tensione di filamento inizia molto piccola, i. e., l'energia di elettroni del fascio corrispondente è molto bassa, e la resa di elettroni secondari è quasi zero, quindi il potenziale superficiale è uguale all'energia di fasci di elettroni (in eV) per impedire loro di mantenere una corrente di zero-net presso lo stato di equilibrio. L'incremento della tensione di filamento è graduale, rispetto alla risposta del plasma, in modo che l'incremento di tensione è troppo piccolo per creare qualsiasi elettroni secondari. Di conseguenza, la superficie potenziale segue la tensione di filamento, causando i fasci di elettroni di essere impedito di raggiungere la superficie e quindi sopprimendo l'emissione di elettroni secondari. Questo esperimento dimostra ancora una volta, che la generazione di elettroni secondari contribuisce significativamente al processo di ricarica e trasporto di polvere.
La polvere hopping è stata registrata sotto la radiazione di UV 172 nm (Figura 3C). Una guaina di fotoelettroni è creata sopra la superficie, in cui il campo elettrico è molto piccolo ~ 0,5 V/cm34. La forza elettrostatica dovuta al campo elettrico guaina è pertanto trascurabile. Come mostrato da Schwan et al. 27, particelle di polvere con loft sotto irraggiamento UV trasportano grandi cariche negative. Questo risultato contraddice la carica positiva prevista a causa di fotoemissione mentre è in accordo con il "modello di carica patchato" descritto di seguito.
Lunga esposizione delle particelle di polvere sotto i raggi UV inoltre è stata effettuata. La figura 4 Mostra i cambiamenti nella morfologia superficiale in funzione del tempo. La superficie diventa più liscia e alla fine si appiattisce, offrendo un processo efficiente per gli stagni di polvere formata sull'asteroide Eros (Figura 1b), ad esempio.
I tre esperimenti ha dimostrati sopra Visualizza che lofting della polvere si verifica quando foto e/o elettroni secondari sono emessa da una superficie polverosa, e questi elettroni emessi possono essere ri-assorbiti all'interno della superficie a causa della sua rugosità. Il "patchato modello addebito" sviluppato da Wang et al. 26 si basava su questi due risultati e brevemente è esaminata sotto.
Come illustrato nella Figura 5, contrariamente a una superficie liscia e solida, microcavità si formano tra le particelle di polvere sotto una superficie di regolite. Le superfici superiori (patch blu) pagano di fotoionizzazione a causa di radiazioni UV e/o ioni ed elettroni del plasma. Ci sono piccole aperture tra le particelle di polvere sulla superficie superiore. Alcuni dei fotoni UV, o elettroni e ioni può penetrare attraverso queste piccole aperture sulle particelle di polvere sotto la superficie superiore, creazione di fotoelettroni e/o elettroni secondari. Molti di questi elettroni emessi non sfuggono e sono nuovamente assorbiti all'interno le microcavità e deposito cariche negative sulle superfici delle particelle circostanti (chiazze rosse).
La carica le patch di superficie blue è Qb 
Eb, dove a Eb è il campo elettrico guaina sopra la superficie polverosa. Le macchie rosse sono a carico Qr Er, dove Er è il campo elettrico all'interno le microcavità. Eb 1 / λDe, dove λDe è la lunghezza di Debye mentre Er 1/r, dove sono è il raggio della particella di polvere individuali, approssimativamente simile alla dimensione caratteristica delle microcavità. A causa di λDe >> r, Er >> Eb e quindi Qr >> Qb. La carica negativa in gran parte avanzata Qr può creare un grande abbastanza forza repulsiva tra due particelle di caricate negativa, che li espelle fuori dalla superficie. I depositi di grande carica (dell'ordine di 0,5 μC/m2) all'interno di una superficie polverosa a causa di riassorbimento dei fotoelettroni si osservano anche in una simulazione di computer35.
Figura 1. Foto di due esempi di fenomeni di superficie insoliti relative al trasporto di polvere elettrostatica. (a) il bagliore lunare orizzonte preso da Surveyor 7 sonda3 (foto NASA). (b) fine depositi di polvere in un cratere, il cosiddetto "laghetto di polvere" sull'asteroide 433 Eros prese dalla sonda NEAR-Shoemaker9. Frecce e cerchio indicano toporgraphies pre-esistenti. Piazza evidenzia uno stagno piccolo polvere isolata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Apparato sperimentale e setup. (a) schema dell'apparato sperimentale per l'esposizione a polveri per un plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o UV radiazione solo26. (b) immagine che mostra il programma di installazione per l'esperimento di UV all'interno della camera di scoppio e (c) foto della camera del vuoto. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Immagini delle traiettorie di polvere con loft26. L'esposizione al plasma (a) con 120 eV fascio di elettroni, gli elettroni del fascio (b) 120 eV e radiazione UV (c), rispettivamente. Un riquadro blu in (a) mette in evidenza le traiettorie delle particelle di polvere con loft. Una scatola blu (c) mette in evidenza la traiettoria di una particella di polvere con loft con una visualizzazione ingrandita. Le particelle di polvere con loft sono aggregati grandi come 140 m di diametro oltre a singole particelle (38-45 m di diametro). Questa figura è stata modificata dalla carta da Wang et al. 26. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4. Lasso di tempo del cambiamento superficiale dovuto il moblization di polvere sotto i raggi UV. La lunghezza d'onda UV è 172 nm con l'irraggiamento di fotoni di 16 mW/cm2 presso la superficie polverosa. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5. Modello con patch addebito26. Una microcavità mostrato nel centro è formata dalle vicine le particelle di polvere (cerchi grigi). Le patch di superficie blue sono esposti agli ioni e/o elettroni e fotoni. Sono incaricati di Qb e simultanously emettono foto e/o elettroni secondari. Una frazione di questi elettroni emessi sono nuovamente assorbita all'interno le microcavità e si accumulano sul rosso patch di superficie delle particelle di polvere circostante, li carica negativamente a Qr. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Per decenni, il problema del trasporto di polvere elettrostatica sulla regolite dei corpi airless è rimasta una domanda aperta come particelle di polvere di regolite guadagno sufficientemente grandi spese per diventare mobilitato o loft. 26,recenti studi di laboratorio27 fondamentalmente hanno avanzato la comprensione di questo problema.
Qui, è dimostrati tre esperimenti recentemente sviluppati per mostrare la carica di polvere e di mobilitazione in plasma termico con fasci di elettroni, fasci di elettroni solo o radiazioni UV solo. L'elemento chiave in questi esperimenti è quello di creare gli elettroni secondari o fotoelettroni essere emesse da superfici polverose. Come illustrato nel precedente lavoro26, è probabile che questi elettroni emessi possono provocare in gran parte avanzate cariche negative sulle particelle di polvere a causa del loro riassorbimento all'interno le microcavità sotto la superficie polverosa. Il meccanismo dettagliato è descritto con il recentemente sviluppati e verificati con successo "patchato modello addebito" 26,27.
Nel passaggio di protocollo 1 e 2, le particelle di polvere devono essere direttamente esposti per fascio di elettroni con energie sopra 100 eV per creare in modo efficiente gli elettroni secondari36. La tensione di polarizzazione al filamento deve essere impostata prima, quindi aumentando la tensione di riscaldamento fino a quando l'emissione di corrente desiderata è raggiunta, come descritto nel protocollo 3.3.1. Se le particelle di polvere non vengono spostate o con soppalco, può indicare che il potenziale superficiale di polvere segue l'energia del fascio di diventare così negativo che la creazione degli elettroni secondari è soppresso. Questo può essere causato da un'operazione sbagliata su impostare la tensione di filamento, come descritto nel protocollo 3.3.2.
Nel protocollo di fase 3, la lunghezza d'onda della lampada UV dovrebbe essere 170 nm o più breve modo che le energie dei fotoni UV sono significativamente più grande rispetto alla funzione di lavoro della superficie polvere al fine di emettere fotoelettroni in modo efficiente. Mobilitazione di polvere dipende in larga misura le forze coesive tra le particelle di polvere, che possono variare con diverse composizioni. Simulante Mars è stato indicato per essere il più facile da spostare.
Questi esperimenti mostrano che le particelle di polvere (decine di micron di diametro) possono saltare fino a pochi centimetri alti. Questa altezza è equivalente a decine di centimetri sulla superficie della luna, simile all'altezza del bagliore dell'orizzonte lunare. Non è chiaro se il bagliore è causato dalla balistica hopping o levitazione delle particelle di polvere. Questi esperimenti suggeriscono che quello precedente è un meccanismo più probabile. È stato dimostrato che mobilitazione polvere elettrostatica può portare alla formazione di superfici lisce, che possono essere rilevanti per gli stagni di polvere formati su asteroide Eros9 e cometa 67P10e la superficie estremamente liscia del luna ghiacciata di Saturno Atlas12.
In conclusione, questi esperimenti mostrano che il trasporto di polvere elettrostatica dovrebbe svolgere un ruolo significativo nel modellare le superfici di corpi planetari airless e può essere responsabile di un numero di insoliti fenomeni di superficie. I metodi hanno dimostrati qui ha aperto una porta per studi più avanzati tra cui entrambi esperimento di laboratorio e modellazione in futuro.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dall'Istituto di NASA/SSERVI per la modellazione del Plasma, atmosfere e polvere cosmica (impatto) e dal programma NASA Solar Systems lavorazioni (concessione numero: 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 |
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