Summary

먼지가 충전 및 자외선 또는 플라즈마에 노출 표면에 동원의 실험 방법

Published: April 03, 2018
doi:

Summary

먼지 충전 및 동원 전자 빔, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 3 실험에서 증명 됩니다. 이러한 실험 정전기 먼지 전송의 고급 이해 및 무기 행성 시체의 표면 형성에 역할을 제시.

Abstract

정전기 먼지 전송 다양 한 특이 한 행성 현상의 관측을 설명 하기 위해 가설 되었습니다. 여기, 그것은 최근 3을 사용 하 여 실험에 있는 먼지 입자 빔 전자, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 되는 개발 시연입니다. UV 광원 파장 가운데 172에 좁은 대역폭에 nm. 120 eV의 에너지 광속 전자는 부정적으로 치우치는 뜨거운 필 라 멘 트와 함께 만들어집니다. 진공 챔버를 아르곤 가스로 가득 열 플라즈마 전자 빔 이외에 만들어집니다. 미크론 직경에서의 몇 수만의 격리 먼지 입자는 실험에 사용 됩니다. 먼지 입자는 1 m/s까지 발사 속도 함께 몇 센티미터까지 높이 lofted에 기록 됩니다. 이러한 실험 사진 및/또는 2 차 전자 방출 먼지 표면에서 먼지 입자의 충전 메커니즘을 변경 하는 방법을 보여 줍니다. 최근에 개발 된 “패치 충전 모델”에 따르면 방출된 전자를 다시 주변 먼지에 향상 된 부정적인 비용의 축적을 일으키는 표면 아래 이웃 먼지 입자 사이 microcavities 안으로 흡수 될 수 있다 입자입니다. 이 사이 반발 세력 부정적인 청구 입자 동원과 그들을 리프트 표면에서 충분히 클 수 있습니다. 이러한 실험 먼지가 표면에 먼지 충전 및 전송의 고급 이해를 제시 하 고 답답한 행성 시체의 표면 진화에 그것의 역할의 미래 조사에 대 한 토대를 마련.

Introduction

달과 소행성, 같은 답답한 행성 시체, 미세 먼지 입자 라는 regolith 덮여 있다. 이 답답한 몸, 지구와 달리 직접 태양풍 플라즈마 및 청구 regolith 먼지를 일으키는 태양 자외선 (UV) 방사선에 노출 됩니다. 이러한 먼지 입자 수 있습니다 따라서 동원, 로프트, 수송, 또는 심지어 배출 되며 정전기 힘 때문에 표면에서 분실 청구. 첫 번째 제안이 정전기 과정의 증거 이었다 소위 “달 지평선 빛”, 5 년 전 (그림 1a) 5, 6, 및 7 감정 인 우주선에 의해 일몰 직후 관찰 서쪽 지평선 위에 뚜렷한 빛1, 2,3. 그것은이 발광에서 정전 로프트 먼지 입자 (5 μ m 반경)에서 < 달 터미네이터1,2,3근처 표면 위에서 1m 높이에 흩어져 햇빛에 의해 발생 했다 가정 했다 되었습니다. 정전 발표 미세 먼지 또한 아폴로 우주 비행사4,5에 의해 보고 되는 높은 고도 도달 하는 광선 같은 깃발에 대 한 책임을 제안 했다.

이후이 아폴로 관측, 관측 다른 무기 시체의 숫자 또한 정전기 먼지 동원의 메커니즘에 연결 된 또는 로프트 했다, 토성의 레이디얼 스포크 같은 반지6,7, 8, 소행성 에로스 (그림 1b)9 에 먼지 연못과 혜성 67 P10,11주요 벨트 소행성 스펙트럼에서 표시 다공성 표면 비정상적으로 부드러운 표면 토성의 얼음 달 아틀라스12, 그리고 13달 소용돌이 regolith입니다. 또한, 달 표면에 레이저 retroreflectors 저하 정전 로프트 먼지14의 축적에 의해 또한 발생할 수 있습니다.

실험실 연구는 크게 먼지 충전의 물리적 과정을 이해 하 고 수송 하기 위해이 특별 한 공간 관측 동기가 되었습니다. 먼지가 동원 있는 먼지 입자는 유리 구 표면15,16, 플라즈마 sheaths17, 부상 및 모두를 실시 하 고 보 온에 이동 기록에서 떨어져 창 고는 다양 한 플라즈마 조건에서 관찰 되었습니다. 표면18,19,,2021. 그러나, 먼지 입자 로프트 또는 동원 충분히 큰 요금을 얻을 어떻게 제대로 이해 남아 있었다. 부드러운 표면22 에 개별 먼지 입자 및 플라스마에 먼지가 표면23 에 평균 충전 밀도 요금 측정 표시 요금은 로프트 또는 동원 먼지 입자에 대 한 너무 작은.

이전 이론16,,2425, 충전만 UV 또는 플라스마에 직접 노출 되는 최고 표면 층에 고려 되었다. 혐의 종종 전체 먼지 표면, 균일 하 게 배포할 수 간주 됩니다., 각 개별 먼지 입자의, 소위 “공유 책임 모델”16에 의해 설명 된 동일한 금액을 얻습니다. 그러나,이 모델에서 계산 하는 요금은 혼자 중력 보다 훨씬 작습니다. 전자와 이온 표면16,24 의 용의 확률 과정에서는 정전기 힘, 일시적인 향상 하지만 그것에 비교에서 작은 남아 계정 요금 변동 이론에 중력 힘입니다.

이 논문에서는, 정전기 먼지 로프트와 동원은 증명 최근 3을 사용 하 여 개발 실험26는 답답한 행성 시체의 regolith에 먼지 수송을 이해 하기 위한 중요 한. 이 실험은 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라즈마의 조건에서 수행 됩니다. 이러한 실험 최근에 개발 된 “패치 충전 모델”26,27타당성 입증, 어떤 microcavities 형성 사이 먼지 입자 표면 아래 이웃 흡수할 수 있는 다시 내보낸된 사진 및 2 차 전자, 큰 생성 음수 인접 먼지 입자의 표면에 요금. 이러한 부정적인 요금 사이 반발 세력 동원 또는 먼지 입자에서 리프트를 충분히 큰 될 수 있습니다.

Protocol

1. 진공 챔버 설치 보 온 플레이트 (2 ㎝ 두께 직경에서 20 cm)에 단 열 고무 시트 (두께 0.2 c m, 직경에서 5 cm) 중앙 구멍 1.9 cm 배치 (그림 2a, b). 단 열, 불규칙 모양의 먼지 입자 (직경에서 10, 50 μ m) 사이 구멍을 로드 합니다. 진공 챔버 중간 금속 판 서에 보 온 접시를 놓습니다. 전기 세라믹 스탠드 오프를 사용 하 여 상공에서 금속판 분리. 진공…

Representative Results

실험의 세트는 위쪽 또는 아래쪽 필 라 멘 트를 사용 하 여 수행 했다. 최고의 필 라 멘 트 설치와 함께 기록 된 먼지 입자의 호핑 (그림 3a). 반면, 먼지 입자 하단 필 라 멘 트를 사용 하는 경우 나머지에 남아 있었다. 그것은 표면에 수직 전기장 프로토콜 2 단계26에서 설명 하는 조건 하에서 두 실험에서 약 같은 (16 V/cm)은 측정 되었다…

Discussion

수십 년 동안,의 답답한 시체의 regolith 정전기 먼지 교통 문제 어떻게 regolith 먼지 입자 얻을 동원 또는 로프트 충분히 큰 요금 미결 문제에 남아 있었다. 최근 실험실 연구26,27 근본적으로이 문제에 대 한 이해를 전진 했다.

여기, 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라스마에서 먼지 충전 및 동원을 보여 시연된 3 최근에 개발 ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 작품은 플라즈마 모델링, 대기 및 우주 먼지 (영향)에 대 한 NASA/SSERVI의 연구소와 미 항공 우주국 태양계 동작 프로그램에 의해 지원 되었다 (허가 번호: 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

  1. Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , 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. , (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).

Play Video

Cite This Article
Wang, X., Schwan, J., Hood, N., Hsu, H., 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).

View Video