Yöntem makalesi

Toz şarj ve ultraviyole radyasyon veya plazmasının maruz kalma ile yüzeylerde seferberlik deneysel yöntemleri

DOI:

10.3791/57072

⸱

3 Nisan 2018

 ,  ,  ,  ,  , 
1Laboratory for Atmospheric and Space Physics, University of Colorado, 2NASA/SSERVI's Institute for Modeling Plasma, Atmospheres and Cosmic Dust

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Toz şarj ve seferberlik termik plazma elektron ışını, ışın elektronlar yalnızca veya sadece ultraviyole (UV) ışınlarına maruz kalma ile üç deneylerde gösterdi. Bu deneyler Elektrostatik toz taşıma gelişmiş anlayış ve havasız gezegen organları yüzeylerin şekillenmesinde rolü mevcut.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elektrostatik toz taşıma gözlem gezegen olağandışı olayların bir dizi açıklamaya onaylanmadığına karar. Burada, üç son zamanlarda kullanarak hangi toz parçacıkları termik plazma elektron ışını, ışın elektronlar yalnızca veya sadece ultraviyole (UV) ışınlarına maruz deneyler geliştirilen uygulaması gösterilmiştir. UV ışık kaynağı dalgaboyu 172 merkezli bir dar bant genişliği vardır nm. 120 eV enerji ışını elektron bir olumsuz önyargılı sıcak filament ile oluşturulur. Vakum odası argon gazı ile dolu bir termik plazma elektron ışını ek olarak oluşturulur. Birkaç mikron çapında onlarca yalıtım toz parçacıkları deneylerinde kullanılır. Toz parçacıkları için başlatmak hız 1 m/s ile birkaç santimetre kadar bir yükseklik kazandırıyor için kaydedilir. Bu deneyler fotoğraf ve/veya ikincil elektron emisyon tozlu bir yüzey toz parçacıklarının şarj mekanizması değişiklikler göstermektedir. Son zamanlarda geliştirilen "ücret modeli yamalı", göre verilmiş elektron microcavities komşu toz parçacıkları gelişmiş negatif ücretleri birikimi çevreleyen toz neden yüzeyden arasında içinde yeniden absorbe edilebilir parçacıklar. Bunlar arasında itici güçleri olumsuz parçacıklar Mobilize etmek ve onları yüzeyden kaldırmak için büyük olabilir ücret. Bu deneyler tozlu yüzeylerde toz şarj ve taşıma gelişmiş anlayışı sunmak ve havasız gezegen organları yüzey gelişiminde rolü gelecekteki araştırmalar için bir temeli atıldı.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ay ve asteroitler, gibi havasız gezegen organları regolith denilen ince toz parçacıkları ile kaplıdır. Dünya, aksine havasız cesetleri doğrudan güneş rüzgarı plazma ve regolith tahsil toza neden güneş ultraviyole (UV) radyasyon maruz kalır. Bunlar toz parçacıkları bu nedenle seferber, kazandırıyor, taşınan, hatta atılır ve Elektrostatik kuvvetler nedeniyle yüzeyinden kaybettim ücret. İlk kanıt Elektrostatik bu sürecin sözde önerdi "ay ufuk kurdu", kısa bir süre güneş battıktan sonra Surveyor 5, 6 ve 7 uzay aracı tarafından beş yıl önce (Şekil 1a) gözlenen Batı ufuk yukarıda ayrı bir parlaklık1, 2,3. Bu ışıma kapalı kazandırıyor Elektrostatik toz parçacıkları (5 mikron RADIUS) bir yüksekliğe < 1 m ay Terminatör1,2,3yakınındaki yüzey üzerinde dağınık güneş ışığı sebebi olan. Elektrostatik yayımlanan ince toz da Apollo astronotları4,5tarafından bildirilen bir yüksek irtifa ulaşan ray benzeri flamalar sorumlu önerildi.

Satürn ün Radyal konuşmacı gibi bu Apollo gözlemler, havasız diğer organları üzerinde gözlem bir dizi Ayrıca Elektrostatik toz seferberlik mekanizmalarına bağlı veya lofting yaşından beri6,7, yüzük 8, asteroid Eros (Şekil 1b)9 üzerinde toz göletler ve kuyruklu yıldız 67 P10, gözenekli yüzeyler ana kemer asteroit spectra11, belirtilen alışılmadık derecede pürüzsüz yüzeyi Satürn ün buzlu ay Atlas12ve regolith ay swirls13. Buna ek olarak, lazer retroreflectors ay yüzeyinde bozulması de kazandırıyor Elektrostatik toz14birikimi tarafından neden olabilir.

Laboratuar çalışmaları büyük ölçüde taşıma ve toz şarj fiziksel süreçleri anlamak için bu sıradışı uzay gözlem tarafından motive edilmiş. Toz seferberlik içinde toz parçacıklarının kapalı plazma kaplamalar17' uçurmuş ve hem iletken ve izolasyon üzerinde taşımak için kaydedilmiş bir cam kürenin yüzey15,16, dökmek çeşitli plazma koşullarda gözlenen yüzeyler18,19,20,21. Ancak, ne kadar toz parçacıkları kazandırıyor ya da seferber için yeterince büyük ücretleri kazanmak kötü anlaşılır kaldı. Pürüzsüz bir yüzey22 bireysel toz parçacıkları ile ortalama ücret yoğunluk Plazmaları batırma bir yüzey tozlu23 ücretlerinden ölçümleri suçlamaları kazandırıyor ya da seferber toz parçacıkları için çok çok küçük olduğunu göstermektedir.

Önceki teorileri16,24,25, şarj sadece doğrudan UV veya plazma maruz üst yüzey tabaka oluştuğu kabul edildi. Ücretleri kez düzgün tüm tozlu yüzey üzerinde Yanidağıtılmak üzere kabul edilir., her bireysel toz parçacık ücret, sözde "ücret modeli paylaşılan"16tarafından açıklanan aynı miktarda satın aldı. Ancak, bu modelden hesaplanan masraflar yalnız yerçekimi kuvveti çok daha küçüktür. Elektron ve yüzey16,24 iyonları Cerayanlar Stokastik süreç zamansal bir geliştirme Elektrostatik kuvvet gösterir, ama karşılaştırma için küçük kalır hesapları bir ücret dalgalanma teorisi yerçekimi kuvveti.

Bu yazıda, elektrostatik toz lofting ve hareketlilik gösterdi üç son zamanlarda kullanarak deneyler26, havasız gezegen organlarının regolith araçta toz anlamak için önemli olan geliştirdi. Bu deneyler termik plazma elektron ışın, ışın elektronlar yalnızca veya UV radyasyon sadece şartları gerçekleştirilir. Bu deneyler son zamanlarda geliştirilen "yamalı şarj modeli"26,27geçerliliğini göstermek, hangi microcavities arasında oluşan toz parçacıklarının yüzeyin altında komşu verilmiş fotoğraf yeniden emebilir ve/veya ikincil elektronlar, büyük üreten ücretleri komşu toz parçacıklarının yüzeylerde negatif. Bu negatif ücretleri arasında itici güçleri seferber ya da toz parçacıklarının Asansör için büyük hale gelebilir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. vakum odası kurulumu

  1. Bir yalıtım kauçuk sayfadan (0.2 cm kalınlığında, 5 cm çapında) merkez deliği 1.9 cm çapında bir yalıtım plaka (2 cm kalınlığında ve 20 cm çapında) üzerinde konumlandırın (şekil 2a, b). Yalıtım, düzensiz şekilli toz parçacıkları (arasında 10 ve 50 mikron çapında) deliğe yerleştirin.
  2. Bir vakum odasının ortasında bir metal plaka ayakta ısı yalıtım plakası yerleştirin. Elektrikli seramik standoffs kullanarak odası metal plaka izole et.
  3. Vakum pompaları (mekanik roughing pompası tarafından desteklenen bir turbo pompa) açmak temel baskısı ulaşmak için ~ 10-6 Torr. Gösteren deneyler bir silindirik paslanmaz çelik vakum odasında, 50 cm çapında ve 28 cm boyunda (Şekil 2 c) gerçekleştirilir.
  4. Toz hareket ve 30 kare/sn (fps) normal hızında veya bir yüksek hızlı (> 2000 fps) fotoğraf makinesi, video kamera ile lofting kaydedin. Eşdeğer maksimum aydınlatmalı bir LED ışık kullanımı > 500W iyi kalitede video kaydı için toz parçacıklarının üzerinde yeterli aydınlatma üretmek için ışık incandesce.
    Not: kauçuk kameraya ışık yansıması en aza indirir, koyu renk nedeniyle kullanmaktır. Açık renkli toz parçacıkları daha iyi renk kontrast koyu kauçuk yüzeye nedeniyle fotoğraf çekmek için kullanılır. Kalın ısı yalıtım levha toz şarj ve seferberlik yalıtım levha yüzeyine ve metal plaka arasında elektrik alanının etkisi ortadan kaldırılması için kullanılır. Bu gösteride, Mars simulant (JSC-Mars-1, elenmiş 38-48 mikron ortalama çapı, 1.9 g/cm-3 , kütle yoğunluğu ve büyük kompozisyon SiO2 28) kullanılmış, hangi iç havasız organlarının genel regolith toz benzer Güneş sistemi. Ay simulant (JSC-1), ay simulant Yaylası (LHT) ve saf silika toz gibi toz parçacıklarının yalıtım çeşitli başka türleri de denendi.

2. termik plazma elektron ışını ile maruz

  1. Bir thoriated tungsten filament eklemek (0.1 mm kalınlığında ve ~ 3 cm uzunluğunda) bir elektrot feedthrough için ve install o üstünde odası. O zaman pompa aşağı temel basınç odası.
  2. Argon gazı baskısı için vakum odası doldurmak ~ 0.5 mTorr.
  3. Güç kaynakları üzerinde açın ve önyargı voltaj -120 V filaman için ayarlayın.
  4. Geçerli Isıtma için Isıtma voltajı yükseltin ~ geçerli emisyon istediğiniz değeri (birkaç mA) ulaşıncaya kadar 2A. 120 eV enerji enerjik elektron filaman yayılan.
    Not: Bu kiriş gibi birincil elektron tarafsız argon atom, onları iyonize neden ve bir plazma elektron sıcaklığı yaklaşık 2 eV ile oluşturma etkisi. Birincil ışın elektronlar büyük bir kısmı doğrudan ile nötr atomların çarpışma olmadan tozlu yüzeye ulaşır. Toz parçacıkları bu nedenle her iki termik plazma ve ışın elektron için sunulur.
  5. Enerjik ışın elektronların rol toz taşımacılığında göstermek için toz parçacıklarının üzerinde termal bir plazma oluşturma alternatif bir işlemi kullanın.
    1. Bir alternatif filaman odası önyargı voltaj ile alt -40 V ve emisyon 400 kadar geçerli açmak mA (şekil 2a). Filaman yayılan birincil elektronlar metal plaka üzerinde toz parçacıkları (şekil 2a, b) dinlenme hakaret plaka aşağıda tarafından durdurulur.
    2. Yüzey üzerinde elektrik alanı değiştirmek için geçerli emisyon değişir. Daha yüksek akım yüksek plazma yoğunluğu, ince kılıf ve böylece daha büyük elektrik alanı oluşturur.

3. sadece elektron ışına maruz

  1. Deneme üst filament kullanarak yukarıdaki deneyde açıklandığı gibi ayarlayın.
  2. Temel baskı 10-6 Torr altında üst filaman açın (i.e., argon gazı beslenen odasında). Sadece 120 eV ışın elektron filaman bombardıman toz parçacıklarının yayılan iken hiçbir plazma oluşturulur.
  3. Filaman iki farklı modlarda çalışır.
    1. Önyargı voltaj -120 V, daha sonra geçerli emisyon birkaç mA ulaşıncaya kadar Isıtma voltajı yükseltin.
    2. İstenen Isıtma geçerli ulaşmak için Isıtma voltajı yükseltin ~ 2 A, daha sonra artırmak için elektron bir emisyon akımı birkaç Ma ile yayılmasını sağlamak için yavaş yavaş -120 V 0 V gerilim önyargı.

4. UV radyasyon sadece maruz

  1. En iyi filaman bir UV lamba (şekil 2b) ve temel basınç odasına aşağı pompa ile değiştirin. UV 172 nm dalga boyu ışık yayan bir xenon excimer Osram lamba kullanın. Karşılık gelen foton enerji olduğunu 7.2 eV, toz yüzey çalışma fonksiyonu büyük (~ 5,5 eV) photoelectrons yayarlar için.
    Not: Daha kısa dalga boyları daha yüksek enerji fotonlar yayar UV toz parçacıkları ve bu nedenle daha fazla seferberlik yamalı şarj modeli26,27tarihinde dayalı, daha fazla masraf yaratması bekleniyor.
  2. Toz parçacıklarının yaymak için UV lamba açmak. Örnek, foton olma 40 mW/cm-2 UV kaynağında olduğu ve ~ 16 mW/cm-2 tozlu yüzeyde.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deneyler bir dizi gerçekleştirilen üst veya alt filamentler kullanarak. En iyi filaman Kur'a toz parçacıkları atlamalı kaydedildi (şekil 3a). Buna ek olarak, toz parçacıklarının alt filaman kullanırken istirahat kaldı. Yüzeyde dikey elektrik alanı yaklaşık olarak aynı (16 V/cm) protokolü adım 226yılında açıklanan koşullar altında her iki deneylerde yapıldı ölçülen. Bu sonuçlar nedeniyle kılıf elektrik alanı Elektrostatik kuvvet toz par...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yıllardır, regolith havasız organlarının Elektrostatik toz araçta sorun açık nasıl regolith toz parçacıklarının seferber kazandırıyor ya da olmak için yeterince büyük ücretleri kazanmak bir soru kaldı. Son laboratuvar çalışmaları26,27 temelde bu sorun anlayış gelişmiş.

Toz şarj ve seferberlik termik plazma elektron ışın, ışın elektronlar yalnızca veya UV radyasyon sadece göstermek için gösterdiği üç son zamanlarda geliştirilen deneyler...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu eser modelleme plazma, ortamlar ve kozmik toz (etkisi) için NASA/SSERVI'ın Enstitüsü tarafından ve NASA'ın güneş sistemleri çalışma programı tarafından desteklenmiştir (vermek sayı: NNX16AO81G).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Vakum odasıHerhangi birNA
Vakum elektrot geçişiLeskerEFT0113053
Tungsten filament (0,1 mm kalınlığında)GoodfellowW055250Thoriated
Güç kaynağı #1 (0-8V, 3A)AgilentE3610AVeya eşdeğeri
Güç kaynağı #2 (0-140V, 0.5A)AgilentE3612AVeya eşdeğeri
UV lambasıOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVVeya eşdeğeri
Toz örneğiHerhangi birMars veya Ay simülatörü veya diğer türlerDüzensiz şekilli, elenmiş, yalıtkan
Yalıtım plakasıHerhangi birNAKalınlığı > 1 cm
Kauçuk levhaHerhangi birNAKalınlık > 1 mm
Metal plakaHerhangi birNA
Seramik standlarMcMaster94335A1301/2" çap
Video kamera (tüketici)PanasonicHC-VX870Veya eşdeğeri
Video kamera (yüksek hızlı)PhantomV2512> 1000 fps
LED lambaHerhangi birNA500W Tungsten eşdeğeri
>

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Elektron DemetiVakum OdasToz Mobilizasyonukincil EmisyonPlazma MaruziyetiYal tkan Par ac klarYama Y k ModeliElektrostatik Ta ma

İlgili makaleler