Numeriska och experimentella metoder presenteras för multipel spridning av ljus i diskreta slumpmässiga medier av tätt packade partiklar. Metoderna används för att tolka observationer av Asteroiden (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Teoretiska, numeriska och experimentella metoder presenteras för multipel spridning av ljus i makroskopiska diskreta slumpmässiga medier av tätt packade mikroskopiska partiklar. De teoretiska och numeriska metoderna utgör en ram för strålnings överföring med ömsesidiga transaktioner (R2T2). R2T2 -ramverket innebär Monte Carlo-spårning av interaktioner i frekvensområdet, förutsatt att de grundläggande spridnings-och absorbenter är våg längds skala volymelement består av ett stort antal slumpmässigt distribuerade partiklar. De diskreta slumpmässiga medierna är fullpackade med volym elementen. För sfäriska och icke-sfäriska partiklar beräknas interaktionen inom volym elementen exakt med hjälp av superpositionen T-Matrix-metoden (stmm) och Volymintegralekvations metoden (viem). För båda partikel typerna beräknas samspelet mellan olika volymelement exakt med STMM. Som spårningen sker inom diskreta slumpmässiga medier, osammanhängande elektromagnetiska fält utnyttjas, det vill, det sammanhängande området för volym elementen tas bort från samspelet. De experimentella metoderna bygger på akustisk levitation av proverna för beröringsfria, oförstörande spridnings mätningar. Levitation innebär full ultraljud kontroll av provet position och orientering, det vill, sex frihetsgrader. Ljuskällan är en laserstyrd vit ljuskälla med en monokromator och polarisator. Detektorn är ett mini-Photomultiplier-rör på ett roterande hjul, utrustat med polarisatorer. R2T2 valideras med hjälp av mätningar för ett sfäriskt prov av tätpackade sfäriska kvartspartiklar i mm-skala. Efter validering tillämpas metoderna för att tolka astronomiska observationer för asteroid (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (figur 1) nyligen BESÖKT av NASA Dawn mission och ESA Rosetta mission, respektive.
Asteroider, kometkärnor och airless solsystem objekt i stort täcks av planetariska regoliths, lösa lager av partiklar av varierande storlek, form och sammansättning. För dessa objekt observeras två allestädiga astronomiska fenomen vid små sol fasvinklar (sol-Object-observatör vinkel). För det första observeras ljusstyrkan hos det spridda ljuset i den astronomiska magnitudskalan för att öka nonlinearly mot nollfasvinkeln, vanligen kallad oppositions effekten1,2. För det andra är det spridda ljuset delvis linjärt polariserat parallellt med spridningen planet (Sun-Object-observatör planet), vanligen kallad negativ polarisering3. Fenomenen har saknat kvantitativ tolkning sedan slutet av 19: e århundradet för oppositionen effekt och sedan början av 20: e århundradet för den negativa polarisering. Deras korrekta tolkning är en förutsättning för kvantitativ tolkning av de fotometriska, polarimetriska och spektrometriska observationerna av lufttlösa föremål, samt radar spridning från deras ytor.
Det har föreslagits4,5,6,7 att den sammanhängande BackScattering mekanismen (CBM) i flera spridning är åtminstone delvis ansvarig för den astronomiska fenomen. I CBM, partiella vågor, interagerar med samma diffusorer i motsatt ordning, alltid störa konstruktivt i den exakta BackScattering riktning. Detta beror på de sammanbrott optiska banor av de ömsesidiga vågorna. I andra riktningar varierar störningarna från destruktiva till konstruktiva. Konfigurational genomsnitt inom ett diskret slumpmässigt medium av partiklar resulterar i förbättrad BackScattering. Som för den linjära polarizationen, CBM är selektiv och resulterar i negationpolarization i fallet av positivt polarisera singelscatterers, ett allmänningkännetecken i singelspridning (CF. Rayleigh spridning, Fresnel reflexion).
Spridning och absorption av elektromagnetiska vågor (ljus) i ett makroskopiskt slumpmässigt medium av mikroskopiska partiklar har utgjort ett öppet beräkningsproblem i planeternas astrofysik8,9. Som illustreras ovan har detta resulterat i avsaknad av kvantitativa inversa metoder för att tolka markbaserade och rymdbaserade observationer av solsystem objekt. I det nuvarande manuskriptet presenteras nya metoder för att överbrygga klyftan mellan observationerna och deras modellering.
Experimentella mätningar av spridning av ett litet partikelprov i kontrollerad position och orientering (sex frihetsgrader) har varit öppen. Spridningsegenskaper för enstaka partiklar har tidigare mätts som Ensemble medelvärden över storlek, form och orientering fördelning10 genom att införa ett partikel flöde genom Mät volymen. Spridningsegenskaper för enstaka partiklar i levitation har utförts med exempelvis elektrodynamisk levitation11 och optisk pincett12,13,14. I detta manuskript, en ny experimentell metod baserad på ultraljud levitation med full kontroll över provet position och orientering erbjuds15.
Detta manuskript sammanfattar resultaten av ett projekt som finansierades under fem år 2013-2018 av Europeiska forskningsrådet (ERC): spridning och absorption av elektromagnetiska vågor i partikel medier (SAEMPL, ERC Advanced Grant). Saempl lyckades uppfylla sina tre huvudmål: först, nya numeriska Monte Carlo metoder härleddes för flera spridning av diskreta slumpmässiga medier av tätt packade partiklar16,17,18; för det andra utvecklades och konstruerades nya experimentella instrument för kontrollerade laboratoriemätningar av validerings prov i levitation15; för det tredje tillämpades de numeriska och experimentella metoderna för att tolka astronomiska observationer19,20.
I det följande beskrivs i detalj protokoll för användning av den experimentella spridnings ledningen för mätningar, motsvarande beräkningspipeline samt tillämpningspipelines. Den Computational pipelinen består av programvara för asymptotiskt avkräver uträkningar i fallet av finite system av partiklar (superposition T-matrismetod stmm21 och volymintegralekvationmetod viem22) och ungefärligt beräkningar för asymptotiskt oändliga diskreta slumpmässiga medier av partiklar med hjälp av flera spridningsmetoder (Siris23,24, radiative överföring med sammanhängande BackScattering RT-CB8,9, och Överföring med ömsesidiga transaktioner R2T216,17,18). Den experimentella pipeline omfattar beredning, lagring och utnyttjande av proverna, deras levitation i Mät volymen, och utföra den faktiska spridnings mätning över intervallet av spridningsvinklar med varierande polarisator Konfigurationer. Tillämpningspipelinen gäller utnyttjandet av de beräkningsspecifika och experimentella rörledningarna för att tolka astronomiska observationer eller experimentella mätningar.
Experimentella, teoretiska och beräkningsmässiga metoder har presenterats för ljusspridning genom diskreta slumpmässiga medier av partiklar. De experimentella metoderna har utnyttjats för att validera de grundläggande koncepten i teoretiska och beräkningsmässiga metoder. De senare metoderna har sedan tillämpats framgångsrikt i tolkningen av astronomiska observationer av Asteroiden (4) Vesta och Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Den experimentella scatterometern förlitar sig på ultraljud kontrollerade provet levitation som gör det möjligt för Mueller-Matrix mätningar för ett prov aggregat i önskad orientering. Aggregatet kan vid upprepade tillfällen utnyttjas i mätningarna, eftersom det är möjligt att bevara aggregatet efter varje Mät uppsättning. Detta är första gången som sådana beröringsfria, oförstörande spridnings mätningar utförs på ett prov under full kontroll.
De teoretiska och beräkningsmässiga metoderna förlitar sig på de så kallade osammanhängande spridnings-, absorptions-och utrotnings processerna i slumpmässiga medier. Medan den exakta elektromagnetiska interaktioner uppstår alltid sammanhängande, inom ett oändligt slumpmässigt medium efter konfigurational medelvärdes, endast osammanhängande interaktioner kvar bland volymelement av partiklar. I det nuvarande arbetet, de osammanhängande samspelet mellan dessa element är exakt redovisas med hjälp av Maxwell ekvationer: efter subtrahera sammanhängande fält från fälten i fritt utrymme, är det osammanhängande områden inom det slumpmässiga medium som återstår. Behandlingen har för närvarande vidtagits för att dess fullständiga noggrannhet i att samspelet, liksom utrotning, spridning och Absorptionskoefficienter av mediet, härleds inom ramen för osammanhängande interaktioner. Dessutom har det visats att redovisning av de sammanhängande fält effekterna på gränssnittet mellan det fria utrymmet och det slumpmässiga mediet resulterar i en lyckad total behandling för ett begränsat slumpmässigt medium.
Tillämpningen av de teoretiska och beräkningsmässiga metoderna har illustrerats för experimentella mätningar av ett sfäriskt prov aggregat i mm-skala som består av sfäriska SiO2 -partiklar av submicron skala. Ansökan visar entydigt att provmängden måste bestå av en fördelning av partiklar med varierande storlek, i stället för att bestå av stora sfäriska partiklar. Det kan finnas långtgående konsekvenser av detta resultat för karakterisering av slumpmässiga medier: det är rimligt att medierna är betydligt mer komplexa än vad som har utläsas tidigare med hjälp av State-of-the-art karakteriseringsmetoder.
Den synoptiska tolkningen av spektrumet för asteroid (4) Vesta över de synliga och nära infraröda våglängderna samt Vestas fotometriska och polarimetriska fas kurvor vid våglängden på 0,45 μm visar att det är praktiskt att använda de numeriska metoderna i att begränsa mineraliska kompositioner, partikel storleks fördelningar, samt regolithen volym täthet från avlägsna astronomiska observationer. Sådana hämtningar förstärks ytterligare genom samtidig tolkning av de fotometriska fas kurvorna för kometen 67P/Churyumov-Gerasimenko angående dess koma och kärna. Slutligen har realistisk modellering av den polarimetriska fas kurvan 67P erhållits20. Det finns stora framtidsutsikter att tillämpa de nuvarande metoderna i tolkningen av observationer av solsystem objekt i stort.
Det finns framtidsutsikter för det nuvarande kombinerade experimentella och teoretiska angreppssättet. Eftersom det är oerhört svårt att exakt karakterisera slumpmässiga medier som består av sub-våglängdsskala inhomogeneities, kontrollerade Mueller-Matrix mätningar kan erbjuda ett verktyg för att hämta information om volym täthet och partikelstorleksfördelning i mediet. Kvantitativ inversion av dessa fysikaliska parametrar underlättas av de nya numeriska metoderna.
The authors have nothing to disclose.
Forskning som stöds av ERC Advanced Grant nr 320773. Vi tackar laboratoriet för kronologi av Finlands Naturhistoriska museum för hjälp med prov karakterisering.
10GL08 | Newport | Calcite polarizer | |
12X Zoom Body Tube 1-50487AD | Navitar | Microscope objective | |
43-412-000 | Edmund optics | Optical flat | |
8MPR16-1 | Standa | Motorized Polarizer Rotator | |
8MRB240-152-59D | Standa | Rotation stage | |
8SMC5-ETHERNET | Standa | Motor controller | |
Digi-pas DWL3500XY | Digi-pas | Digital 2-axis level | |
DMT 65-D25-HiDS | Owis | Optics rotation stage | |
EQ-99 LDLS | Energetiq | Light source | |
FL488-10 | Thorlabs | Laser line filter | |
IBM 65-D0-35-HiDS | Owis | Motorized iris shutter | |
LPVISE100-A | Thorlabs | Film polarizer | |
microPMT H12403-01 | Hamamatsu | Photomultiplier tube | |
NI PXIe-5171R | National Instruments | Digital oscilloscope | |
NI PXIe-8880 | National Instruments | PXIe chassis | |
Phantom v611 | Vision Research | High speed camera | |
PS 10-32-DC | Owis | Motor controller | |
RC08FC-P01 | Thorlabs | Fiber collimator | |
SET-NDF-D22-G25 | Owis | Neutral density filter | |
TIA60 | Thorlabs | PMT amplifier |