Experimentella metoder av damm laddning och mobilisering på ytor med exponering för ultraviolett strålning eller plasmor
Summary
Tre experiment med exponering för termisk plasma med beam elektroner, beam elektronerna bara eller ultraviolett (UV) strålning endast visar damm laddning och mobilisering. Dessa experiment presentera Avancerad förståelse av elektrostatiska damm transport och dess roll i utformningen av ytorna på airless planetariska kroppar.
Abstract
Elektrostatiska damm transport har varit hypoteser för att förklara ett antal observationer av ovanliga planetariska fenomen. Det framgår här, med tre nyligen utvecklat experiment som damm partiklar är utsatta för termisk plasma med beam elektroner, beam elektronerna bara eller ultraviolett (UV) strålning bara. UV ljuskällan har en smal bandbredd i våglängd centrerad på 172 nm. Beam elektronerna med energi av 120 eV skapas med en negativt vinklad varma glödtråden. När vakuumkammare är fylld med argongas, skapas en termisk plasma förutom elektronstrålen. Isolerande dammpartiklar av några tiotals mikrometer i diameter används i experiment. Dammpartiklar registreras för att vara lofted till en höjd upp till några centimeter med en lansering hastighet upp till 1 m/s. Dessa experiment visar att foto och/eller sekundär elektron utsläpp från en dammig yta förändras laddningen mekanismen av dammpartiklar. Enligt den nyligen utvecklade ”lappat kostnad modell”, utsända elektronerna kan åter absorberas inuti microcavities mellan angränsande dammpartiklar under ytan, orsakar ansamling av förbättrad negativa laddningar på omgivande damm partiklar. Repulsiva krafterna mellan dessa laddade negativt partiklar kan vara tillräckligt stor för att mobilisera och lyfta dem från ytan. Dessa experiment presentera Avancerad förståelse av damm laddning och transport på dammiga ytor, och lade en grund för framtida undersökningar av dess roll i ytan utvecklingen av airless planetariska kroppar.
Introduction
Airless planetariska kroppar, såsom månen och asteroider, är täckta med fina dammpartiklar som kallas regolithen. Dessa airless organ, till skillnad från jorden, är direkt utsatta för solvinden plasma och solens ultravioletta (UV) strålning, orsakar regolithen damm att debiteras. Dessa laddade dammpartiklar kan därför mobiliserade, lofted, transporteras, eller ens utkastade och förlorade från ytan på grund av elektrostatiska krafter. Först föreslog bevis för elektrostatisk processen var den så kallade ”lunar Horisont glow”, en distinkt glöd över västra horisonten observerades strax efter solnedgången av Surveyor 5, 6 och 7 rymdfarkoster fem decennier sedan (figur 1a)1, 2,3. Det har varit hypotes om att denna glöd orsakades av solljus utspridda utanför från elektrostatiskt loftade dammpartiklar (5 μm radius) till en höjd < 1 m ovanför ytan nära den lunar terminator1,2,3. Elektrostatiskt släppt findamm föreslogs också för att ansvara för de ray-liknande serpentiner att nå en hög höjd som rapporterats av Apollo astronauter4,5.
Ända sedan dessa Apollo observationer, ett antal observationer över andra airless kroppar var också kopplade till mekanismerna för elektrostatisk damm mobilisering eller lofting, ringar såsom radiella ekrarna i Saturnen6,7, 8, damm dammar på asteroiden Eros (figur 1b)9 och komet 67 P10, de porösa ytorna anges från main-bälte asteroid spectra11, ovanligt släta yta Saturnus isiga måne Atlas12, och regolithen vid lunar virvlar13. Dessutom kan nedbrytningen av den laser reflexanordningar på månens yta orsakas också av ansamling av elektrostatiskt loftade damm14.
Laboratoriestudier har motiverats till stor del av dessa ovanliga utrymme observationer för att förstå de fysikaliska processerna damm laddning och transportera. Dammet mobilisering har observerats i olika plasma villkor, där dammpartiklar är kasta bort från ett glas sfär surface15,16, leviterat i plasma slidor17, och registreras för att flytta på både dirigering och isolerande ytor18,19,20,21. Hur dammpartiklar få tillräckligt stora avgifter ska lofted eller mobiliserade förblev dock dåligt förstådd. Mätningar av tilläggen på enskilda dammpartiklar på en slät yta22 och genomsnittliga laddningstätheten på en dammig yta23 nedsänkt i plasma visar att avgifterna är alltför liten för dammpartiklar lofted eller mobiliseras.
I tidigare teorier16,24,25ansågs laddningen bara inträffa på översta ytskiktet som är direkt utsatt för UV eller plasma. Avgifter anses ofta vara jämnt fördelat över hela dammigt ytan, dvs., varje enskild damma avpartikeln förvärvar samma mängd laddning, beskrivs i så kallade ”delad kostnad modell”16. Avgifterna beräknas från denna modell är dock mycket mindre än gravitationskraften ensam. En avgift fluktuation teori som står för stokastiska processen för flödena av elektroner och joner till ytan16,24 visar en temporal förbättring i den elektrostatiska kraften, men det är fortfarande små i jämförelse med den gravitationskraften.
I detta papper demonstreras elektrostatiska damm lofting och mobilisering med tre nyligen utvecklat experiment26, som är viktiga för att förstå damm transport på regolithen av airless planetariska kroppar. Dessa experiment utförs i villkoren för termisk plasma med beam elektroner, beam elektronerna bara eller UV-strålning bara. Dessa experiment påvisa giltigheten av den nyligen utvecklade ”lappat kostnad modell”26,27, i vilken microcavities bildas mellan angränsande dammpartiklar under ytan kan åter absorbera den utsända foton och/eller sekundära elektroner, genererar stora negativa avgifter på ytbehandlar av de närliggande dammpartiklar. Repulsiva krafterna mellan dessa negativa laddningar kan bli tillräckligt stor för att mobilisera eller lyft av dammpartiklar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Decennier återstod problemet med elektrostatisk damm transport på regolithen airless organ en öppen fråga hur regolithen dammpartiklar få tillräckligt stora avgifter att bli mobiliserade eller lofted. Senaste laboratoriet studier26,27 har fundamentalt Avancerad förståelse av problemet.
Här är det påvisade tre nyligen utvecklade experiment för att Visa damm laddning och mobilisering i termisk plasma med beam elektroner, beam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete var stöd av NASA/SSERVIS Institutet för modellering Plasma, atmosfärer och kosmiskt stoft (IMPACT) och NASA solvärmesystem fungerar programmet (bevilja 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).
