مختبر أبراج إسقاط لمحاكاة التجريبية من التصادم الغبار والركام في النظام الشمسي المبكر

Engineering
 

Summary

نقدم تقنية لتحقيق سرعة منخفضة إلى متوسطة السرعة الاصطدامات بين المجاميع الغبار الهشة في المختبر. لهذا الغرض، تم وضع اثنين من فراغ الاجهزة قطرة برج تسمح سرعات التصادم بين <0.01 و~ 10 م / ثانية. يتم تسجيل الأحداث الاصطدام بواسطة التصوير عالية السرعة.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. H., Heißelmann, D., Kothe, S., Schräpler, R., von Borstel, I., Weidling, R. Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System. J. Vis. Exp. (88), e51541, doi:10.3791/51541 (2014).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

لغرض التحقيق في تطور المجاميع الغبار في النظام الشمسي المبكر، قمنا بتطوير برجين انخفاض الفراغ الذي المجاميع الغبار الهشة مع أحجام تصل إلى ~ 10 سم ومسامية تصل إلى 70٪ ويمكن اصطدمت. أحد الأبراج انخفاض يستخدم في المقام الأول لسرعات تأثير منخفض جدا أسفل إلى ما دون 0.01 متر / ثانية ويجعل من استخدام آلية إطلاق مزدوجة. وتسجل في اصطدام ستيريو عرض من قبل اثنين من كاميرات عالية السرعة، والتي تقع على طول أنبوب زجاجي فراغ في الإطار الوسط من الكتلة اثنين من المجاميع الغبار. برج السقوط الحر غيرها يجعل من استخدام مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بلطف المجاميع الغبار ليصل إلى 5 أمتار / ثانية. في تركيبة مع الافراج عن الغبار الكلي أخرى لسقوط حر، والتصادم بسرعة تصل إلى ~ يمكن تحقيق 10 م / ثانية. هنا، وهما ثابت كاميرات عالية السرعة تسجيل الأحداث الاصطدام. في كلا البرجين وهبوط، والمجاميع الغبار في السقوط الحر خلال الاصطدام بحيث تكون مطابقة انعدام الوزن والظروف في النظام الشمسي المبكر.

Introduction

ومن المسلم به عموما أن تشكيل الكوكب يبدأ مع تراكم غير الجاذبية من حبيبات الغبار الصغيرة مجهريا في المجاميع الغبار الكبيرة (انظر مراجعة من قبل بلوم وورم) 1. وتتصادم جزيئات الغبار داخل الأقراص الخاصة بهم الكواكب الأولية بسبب الحركة البراونية، الاقتراحات الانجراف النسبية، والاضطراب من الغاز السديمية (انظر مراجعة من قبل يوهانسن وآخرون.) 2. إذا سرعات التصادم منخفضة بما فيه الكفاية، وجزيئات الغبار تلتصق ببعضها البعض لتشكيل تكتلات أكبر. وقد أدت ثروة من القياسات المخبرية على مدى السنوات الماضية إلى نموذج الاصطدام الغبار التجميعية التي يتوقع نتائج من زوج من الركام والغبار مع الجماهير التعسفي وسرعات تصادم 3. نتائج الاصطدامية الأساسية متمسكون (بشكل عام لجماهير الكلي الصغيرة والسرعات المنخفضة الاصطدام)، كذاب، وتجزئة (لسرعات عالية التأثير). ومع ذلك، فإن الانتقال بين هذه المراحل ليست حادة وهناك غيرهاالنتائج، مثل، على سبيل المثال نقل الجماعي أو تآكل. تطبيق هذا النموذج على قرص الكواكب الأولية النموذجية تتوقع نمو المجاميع الغبار سم الحجم في غضون بضعة آلاف سنة 4. وقد تم التحقيق وجود سم الحجم المجاميع الغبار على نطاق واسع من قبل الأرصاد الفلكية على مدى السنوات الماضية ويمكن الآن أن تعتبر المنشأة (انظر مراجعة من قبل تيستي وآخرون.) 5 بحيث نستنتج أن آلية المبدأ الذي الهيئات العيانية الأولى في الأنظمة الكوكبية الشباب تم التعرف النموذج.

ومع ذلك، فإن النمو إلى مزيد من جثث أحجام كيلومتر على الأقل ليست واضحة جدا. للمنطقة الأرضية الكوكب، وتناقش فرضيتين حاليا (انظر أيضا أحدث التعليقات على هذا الموضوع عن طريق يوهانسن وآخرون (2) وتيستي وآخرون 5.): (ط) تركيز الركام والغبار سم الحجم من قبل، على سبيل المثال بث عدم الاستقرار والجاذبية 6 اللاحقةانهيار الاقلية البرلمانية 7،8 و (ب) نمو عدد قليل من "الفائزين" إلى أحجام أكبر مع تراكم الشامل لاحقة من عملية نقل الجماعي 9،10،11. في كلا النموذجين، سم، الحجم المجاميع الغبار الخضوع لعدد هائل من الاصطدامات المتبادلة على الأقل إلى السرعات المعتدلة. ومن غير الواضح ما النتائج المحتملة لهذه التصادمات (إلى جانب كذاب) هي.

لتحسين نموذج الاصطدام الغبار الكلي من قبل Güttler وآخرون. 3 والتحقيق في مزيد من التفاصيل في اصطدام بين المجاميع الغبار العيانية في الأنظمة ذات الصلة سرعة، أنشأنا برجين انخفاض في مختبرنا، الذي الفردية الاصطدامات الكلي-الكلي يمكن أن تدرس بتفصيل كبير تحت فراغ والجاذبية الصغرى الظروف. كلا البرجين انخفاض تمتلك ارتفاع السقوط الحر من 1.5 متر، مما يحد من الوقت لمراقبة ~ 0.5 ثانية. وهكذا، نلاحظ الاصطدامات بواسطة كاميرات عالية السرعة مع شكل ميجابيكسل وتصل إلى 7،500 لقطة في الثانية.لأقصى قدر من التباين وسرعة تسجيل عالية، يتم اختيار الإضاءة مشرق الميدان. وبالتالي تم توفير الإضاءة عالية الكثافة من قبل فريقي LED وشاشات المتجانس من قبل الناشر. وبالتالي، عرض كاميرات عالية السرعة الغبار اصطدامه المجاميع كائنات الظلام أمام شاشة مضيئة. لتجنب الخفقان، والمصابيح هي العاصمة بالطاقة.

لتحقيق السرعات المنخفضة الاصطدام، يتم وضع اثنين من المجاميع الغبار فوق بعضها البعض في آلية إطلاق مزدوجة. الإفراج عن مجموعها العلوي وقت ر قبل أقل واحد النتائج في السرعة النسبية للت = GT، مع ز = 9.81 متر / ثانية 2 كونها تسارع الجاذبية للأرض. واثنين من الكاميرات عالية السرعة، والتي عرض الاصطدام من اتجاهين 90 ° بصرف النظر، وعادة ما تكون بين اثنين من صدر في المجاميع الغبار (عادة ر / 2 بعد الجسيمات العليا). كاميرات تشغيل في الوضع المستمر تسجيل، والتي تم إنهاء بسبب تأثير الكاميراأصحاب الدلاء في الرمال. معدل الإطار الأقصى في هذا الوضع التشغيلي 1،000 صورة في الثانية الواحدة في قرار ميغابيكسل. مع هذا الإعداد، وسرعات أسفل إلى ما دون 0.01 تحققت م / ثانية. بسبب القيود المفروضة على الإعداد الميكانيكية لآلية الإفراج مزدوجة، والحد الأقصى النسبي سرعة الاصطدام هو ~ 3 م / ثانية. وقد تم التحقيق الاصطدامات التي تنطوي على المجاميع الغبار مع ما يصل الى 5 سم في الحجم في هذا البرج الهبوط. لسرعات تصل إلى أعلى الاصطدام ~ 10 م / ثانية، ويستخدم برج الانخفاض الثاني، وهي مجهزة مسرع الكهرومغناطيسية التي هي قادرة على تسريع بسلاسة الغبار المجاميع تصل إلى 5 م / ثانية في اتجاه صاعد العمودي. يقام مجموعها الغبار الآخرين من خلال فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين، ويمكن أن يتم الافراج خالية من التناوب في سقوط حر في أي وقت من الأوقات. هنا، فإنه لا معنى لاستخدام الكاميرات خالية من السقوط. نحن استخدام اثنين بدلا ثابتة كاميرات عالية السرعة مع ما يصل إلى 7،500 لقطة في الثانية وميجابيكسل القرار. ويرجع ذلك إلى diamet أكبرإيه من هذا البرج قطرة والغبار المجاميع تصل إلى (وربما أعلاه) 10 سم في حجم يمكن استخدامها.

Protocol

تنبيه: اعتمادا على الخطورة من الجزيئات المستخدمة، والتي يمكن العثور عليها في المقابلة صحائف بيانات السلامة، يجب إرتداء حماية الفم ومعدات السلامة من قبل شخص يعمل مع الغبار. ويوصى أيضا لاستخدام نظام شفط للحفاظ على الهواء المحيط الغبار خالية.

1. إعداد سم الحجم الكلي عينات الغبار

  1. حساب كمية المواد المطلوبة بواسطة m = Φ ρ 0 حيث m هي كتلة المطلوبة، Φ هو حجم ملء عامل المطلوب (حجم ملء عامل = 1 - المسامية)، ρ 0 هو كثافة المواد، والخامس هو حجم من العينة. 77 غرام من الغبار غير النظامية سيليكات = 0 2.6 جم / سم 3) مطلوب لتحقيق المسامية عينة من 70٪ (حجم ملء عامل = 0.3) لعينة اسطوانية قطرها 5 سم والارتفاع على التوالي.
    ملاحظة: تشكيل جيش التحرير الشعبى الصينى الأرضيةشبكات يبدأ تخثر-ميكرومتر الحجم حبيبات الغبار - تتألف في الغالب من السيليكات - إلى الهيئات التي يسهل اختراقها سم الحجم. والمواد المختبرية التناظرية مدروسة ومناسبة هو شافي والذي يتوفر على شكل مسحوق غير النظامية على شكل مع توزيع حجم تتراوح 0،5 حتي 10 ميكرون، وكذلك في شكل حبوب كروية monodisperse لتحسين قابليتها للمقارنة لنماذج نظرية (انظر الجدول 1 والشكل 1).
شافي 2-مونومر نوع الحبوب الشركة المصنعة قطر الجسيمات شكل جسيمات الرقم سبيل المثال
Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 و # 181؛ م كروي الشكل 1 (اليسار)
Polydisperse سيغما الدريخ ،1-10 ميكرون غير منتظم الشكل 1 (يمين)

الجدول 1. خصائص الجسيمات شافي 2 المستخدمة في التجارب الاصطدام الغبار الكلي.

الشكل 1
الشكل 1. الصور الإلكترون المجهري للmonodisperse (يسار) وpolydisperse (يمين) شافي 2 الجزيئات المستخدمة لإنتاج الركام الغبار العيانية. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

    بدء = "2">
  1. تأخذ وعاء مع ميكرومتر الحجم شافي 2 الجسيمات (انظر الجدول 1) وتصب محتوياته على منخل مع حجم شبكة من 0.5 ملم. التدقيق على كمية كافية من المواد وملء كتلة محسوبة في القالب. ضغط المواد في القالب عن طريق دفع في مكبس باليد حتى يتم الوصول إلى ارتفاع العينة (مثلا 5 سم). بدوره حولها العفن على المكبس، فتح قاعدة لوحة ودفع بلطف من العينة.
    ملاحظة: يمكن إنتاج العينات في العديد من الأشكال (كروية واسطوانية) والأحجام (1 مم إلى 10 سم) ومسامية (60-85٪) (انظر الشكل 3). ويمكن بعد ذلك أن تستخدم عينات بشكل فردي في تجارب الاصطدام أو مجتمعة في مجموعات، والتي تتصادم مع المجاميع ثم أو المجموعات الأخرى.

الرقم 2
الشكل 2. صورة من. الاختلاف من الغبار الكلي عينة الأحجام والأشكال وتظهر العينات التالية: اسطوانات الغبار مع 1 سم، 2 سم، 5 سم وقطرها (الصف الخلفي)، الكرات الغبار مع 1 سم وقطرها 2 سم (صف في الوسط)، و 2-3 ملم الحجم آل 2 O 3 مجالات (الجبهة). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تميز العينات فيما يتعلق المسامية والتجانس. إذا عينات تقع خارج الهوامش المسموح بها، إنتاج عينات جديدة.
    1. من أجل تحديد المسامية من العينة الغبار، وتحديد حجمه من خلال قياس أبعاده وكتلته من خلال توازن دقيق.
    2. استخدام التصوير المقطعي بالأشعة السينية (XRT) 12 للحصول على معلومات عن التجانس وتوزيع المسام الحجم من العينة المنتجة.
      ملاحظة: للحصول على 5 سم الحجم المجاميع الغبار، وجدنا الانحرافات عن متوسط ​​حجم ملء الواقعص، أي نسبة كثافة كتلة العينة والكثافة المادية للجزيئات الغبار مونومر، من حوالي 1٪ فقط خلال الجزء الأكبر من حجم العينات وزيادة أكبر قليلا من حجم ملء عامل بنسبة تصل إلى 8٪ نحو الحدود الخارجية 12. الشكل 3 يظهر XRT إعادة الإعمار من خلال خفض الغبار الكلي أسطواني من 5 سم وقطرها 5 سم ارتفاع. نحن لا نستخدم XRT لكل الكلي الغبار ولكن دراسة البنية الداخلية وتجانس عينات عشوائية.

الرقم 3
الرقم 3. إعادة بناء البنية الداخلية لعينة من الغبار الكلي أسطواني من 5 سم وارتفاع 5 سم القطر بعد تحليل XRT. يدل المقياس الرمادي عامل يملأ حجم، والتي هي نسبة كثافة الكتلة روقال انه أخذ عينات والكثافة المادية للجزيئات الغبار مونومر. من إعادة الإعمار XRT، فمن الواضح واضحة على أن هذه العينة تم تجميعها عالية المسامية باستخدام الركام والغبار مم الحجم. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

2. مبدأ الإعداد برج قطرة

  1. آليات الإفراج:
    في الجزء العلوي من برج الانخفاض تعلق آليات الإفراج اثنين واحد على أعلى من غيرها. كل واحد منهم يحمل عينة ويطلق عليه في السقوط الحر. الفارق الزمني بين صدور العلوي والسفلي الجسيمات يحدد السرعة النسبية للاصطدام. وفقا لمورفولوجيا وشكل الجزيئات، ويتم اختيار آليات الإفراج المناسبة. إذا تم استخدام آلية الجسيمات التسارع، ومطلوب آلية إصدار واحد فقط.
    1. آلية إطلاق الجسيمات على واحد في سلسلة (عينات كروية، الاتحاد العقاريةإيه الجسيمات):
      تتكون هذه الآلية الافراج عن المغناطيس الملف اللولبي الخطية والمعادن الصلبة مضادة قطعة.
      1. إرفاق الجسيمات التي ستصدر إلى سلسلة. عقد سلسلة في المكان من قبل تحامل عليه بين المغناطيس الملف اللولبي والمعادن الصلبة مضادة قطعة.
      2. للافراج عن الجسيمات، وتطبيق تيار كهربائي إلى المغناطيس الملف اللولبي (انظر فيلم 1).
    2. فخ الباب آلية إطلاق (عينات كروية، وانخفاض الجسيمات):
      تتكون هذه الآلية الافراج عن المغناطيس الملف اللولبي الدوار الذي تم إرفاق حامل الجسيمات.
      1. وضع الجسيمات في قالب شبه كروية، وتدور الهبوط اللولبي من قبل التناوب عندما يتم تطبيق تيار كهربائي (انظر فيلم 1).
      2. ويمكن أيضا أن تستخدم هذه الآلية من أجل إطلاق سراح مجموعات أو كتل الجسيمات الكلي. في هذه الحالة الأخيرة، جبل آليات الإفراج فخ الباب الثاني أعلاه بعضها البعض (انظر فيلم 2).
      3. آلية مقص من نوع الإفراج المزدوجة (عينات اسطوانية):
        تتكون هذه الآلية الافراج عن اثنين من أزواج من مغناطيس الملف اللولبي الدوار الذي تتصل قضيب معدني. يتم وضع مغناطيس الملف اللولبي اثنين من كل آلية الإفراج بحيث قضبان معدنية هما موازية.
        1. ضع العينتين على اثنين من قضبان متوازية لكل منهما.
        2. تطبيق تيار كهربائي لاثنين من لولبية التناوب للافراج عن جزيئات في السقوط الحر. (انظر فيلم 3).
      4. آلية الجناح المزدوج الإفراج فخ الباب (عينات اسطوانية، بالاشتراك مع آلية تسريع الجسيمات):
        تتكون هذه الآلية الافراج عن اثنين من لوحات معدنية محملة بنابض، التي تشكل معا حامل الجسيمات على شكل حرف V. وتعقد لوحات معدنية اثنين في المكان من قبل قضيب معدني، والتي يتم تركيبها على الملف اللولبي المغناطيس الدوار.
        1. وضع عينة اسطوانية الغبار على مغلقة فخ الباب.
        2. فتح الباب فخ من خلال تطبيقتيار كهربائي إلى المغناطيس الملف اللولبي. لتجنب كذاب-الخلفي من الأبواب، الفرامل الدوامة الحالية منعهم (انظر فيلم 4).
          ملاحظة: من المهم للافراج عن الجسيمات إلى السقوط الحر دون سرعة الأولية والتناوب. لهذا الغرض وضعت عدة آليات الإفراج (2.1.1 - 2.1.4).
    3. آليات تسريع الجسيمات:
      تسارع الجزيئات إما عن طريق الربيع محملة مسبقا أو عن طريق مرحلة خطي مدفوعة الكهربائية مغناطيسيا. يمكن تجهيز كل من المعجلات مع أصحاب عينة للجزيئات على شكل مختلف.

    4. الالكترونيات التحكم:
      تعيين جهاز ضبط الوقت والافراج الالكترونيات إلى القيم المناسبة لتحقيق السرعة المطلوبة والاصطدام لتشغيل الكاميرا في إطار الوسط من الكتلة.
      ملاحظة: يتم تنفيذ توقيت الإفراج الجسيمات، جسيمات تسريع وإطلاق الكاميرا من قبل مجموعة من توقيت الإلكترونية، الذي أوضح في وظائف Movie 5.

    3. التجارب المسرحية

    1. اصطدام منخفضة السرعة (برج قطرة صغيرة):
      1. عينات الحمل في مقص من نوع آلية إطلاق مزدوجة وعلى مقربة أنبوب زجاجي فراغ.
      2. بدء الإخلاء وتعيين المعلمات الموقت.
      3. نعلق الكاميرات إلى وحدات إطلاق المغناطيسي بهم. بدء التسجيل كاميرا المستمر.
        ملاحظة: نظرا لكثافة عالية من إضاءة LED مشرق الميدان، وقت التعرض القصير بما فيه الكفاية من كاميرا عالية السرعة ويمكن اختيار ذلك أن حركة الجسيمات خلال التعرض لا يكاد يذكر. علاوة على ذلك، يجب تعيين وقفة و الهدف الكاميرا إلى القيم مرتفعة بما يكفي لتمديد العمق من التركيز على القطر كله من برج الانخفاض.
      4. عند الوصول إلى الجودة المطلوبة فراغ، والتبديل على الإضاءة، اضغط على زر البداية وتحميل تسلسلات الصور.
    2. الاصطدامات عالية السرعة (برج انخفاض كبير):
      1. عينات الحمل في الفوز المزدوجز فخ الباب آلية إطلاق وتسريع وإغلاق أنبوب زجاجي فراغ.
      2. بدء الإخلاء وتعيين المعلمات الموقت.
      3. بدء التسجيل كاميرا المستمر. عند الوصول إلى الجودة المطلوبة فراغ، والتبديل على الإضاءة واضغط على زر البداية. تحميل تسلسلات الصور.
        ملاحظة: نظرا لكثافة عالية من إضاءة LED مشرق الميدان، وقت التعرض القصير بما فيه الكفاية من كاميرا عالية السرعة ويمكن اختيار ذلك أن حركة الجسيمات خلال التعرض لا يكاد يذكر. علاوة على ذلك، يجب تعيين وقفة و الهدف الكاميرا إلى القيم مرتفعة بما يكفي لتمديد العمق من التركيز على القطر كله من برج الانخفاض.

    4. تجارب مثال

    1. تحميل العينات بعناية في آلية إطلاق المناسبة.
      1. اصطدام منخفضة السرعة (آلية إطلاق مزدوجة؛ 0.09 م / ثانية): 5 سم مقابل 5 سم، كذاب.
        تحميل العينات إلى قسمين مقص من نوع آليات الافراج عنهم. إلىتحقيق سرعات تصادم 0.09 متر / ثانية، وضع جزيئات 7 ملم، وبصرف النظر تعيين تأخير الوقت من آليات الإفراج إلى 9 ميللي ثانية.
        ملاحظة: عند هذه السرعة أثر، وعينات الغبار ترتد بعضها البعض بعد الاصطدام. يتم التقاط تسلسل الصور من قبل السقوط الحر كاميرا عالية السرعة (انظر فيلم 6).

      2. اصطدام عالي السرعة (مسرع الكهرومغناطيسي؛ 7.4 م / ثانية): 2 سم مقابل 2 سم، والتجزؤ.
        تحميل عينة واحدة على فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين؛ ضع العينة الأخرى على حامل عينة من المسرع الخطي المرحلة.
        ملاحظة: لتحقيق سرعات تصادم 7.4 م / ثانية، وتسارع انخفاض الكلي الغبار بسلاسة التصاعدي مع 2 غرام، بينما في نفس الوقت يسقط الغبار الكلي العليا. في السرعة النسبية 7.4 متر / ثانية، وجزء عينات الغبار (انظر فيلم 7).

      3. سرعة عالية للتصادم من المجاميع الصغيرة على المجاميع الكبيرة: 0.5 سم مقابل 5 سم، نقل الجماعي.
        ال تحميلالبريد عينة كبيرة على آلية مقص من نوع الإفراج؛ وضع عينة أصغر على حامل عينة من المسرع الربيع.
        ملاحظة: لتحقيق سرعات التصادم المطلوبة للنقل الجماعي، وتسارع انخفاض الكلي الغبار بسلاسة إلى أعلى، بينما في نفس الوقت يسقط الغبار الكلي العليا. في هذه السرعة النسبية، شظايا عينة أصغر والتحويلات كمية صغيرة من كتلة على عينة أكبر. كما تقع الكاميرا على طول العليا (أكثر ضخمة) الجسيمات، والصور الملتقطة بواسطة الكاميرا عالية السرعة تعطي الانطباع من الجسيمات الكبيرة أكثر أو أقل في بقية (انظر فيلم 8)، وهذا غير صحيح كما يرى من خارج برج الانخفاض.
    2. إغلاق أنبوب زجاجي فراغ.
    3. فتح بعناية صمام فراغ إلى مضخات لبدء إجلاء بطيئة وتعيين المعلمات الموقت لفارق التوقيت المطلوب لسرعة الاصطدام المطلوب.
    4. نعلق الكاميرات إلى وحدات إطلاق سراحهم (إذا تم استخدام الكاميرات خالية من السقوط).بدء التسجيل كاميرا المستمر والتبديل على الإضاءة.
    5. عند الوصول إلى الجودة المطلوبة فراغ، اضغط على زر تحرير لبدء تسلسل توقيت.
    6. تحميل تسلسلات الصور التي سجلتها كاميرات عالية السرعة إلى الكمبيوتر.

    5. تحليل البيانات

    1. اختار عتبة قيمة الرمادي المناسبة بين الخلفية وقيمة الرمادي الكائنات. خلق صورة ثنائية على أساس هذه العتبة من خلال وضع بكسل مع القيم رمادي فوق عتبة إلى الأبيض (قيمة ثنائية 1) بكسل مع القيم والرمادي إلى الأسود أقل (قيمة ثنائية 0).
    2. تحديد موقف من مركز الجزيئات كتلة في كل من الصور. A تقريب جيد لتحديد مركز الكتلة للجسيمات متناظرة هي مركز المنطقة المتوقعة. يتم احتساب هذه الصور من binarized.
    3. استخدام الوضع النسبي للمراكز الكائنات 'الكتلة ومعلومات الوقت من صور الكاميرا لحسابالسرعة النسبية (انظر فيلم 9). وتظهر منحدرات منحنى الموقف على الجانب الأيمن من فيلم 9.
      1. في حالة حدوث تصادم انتعاش، وتحديد السرعات النسبية قبل وبعد الاتصال. حساب معامل رد، أي نسبة سرعة بعد الاصطدام قبل و. رسم السرعة النسبية ضد معامل الرد. ويرد مثال على هذا التحليل في الشكل 4.

    الرقم 4
    الشكل 4. مثال لتحليل كذاب الاصطدامات. معامل رد، أي نسبة سرعة الارتداد وسرعة التأثير، ويتم رسم بوصفها وظيفة من سرعة الاصطدام. الدوائر تظهر البيانات بالنسبة للمجاميع الغبار كروية من 2 سم دياميثالثا 13 (انظر الشكل 2)، مثلثات دلالة الاصطدامات بين المجاميع الغبار أسطواني من 5 سم وقطرها 5 سم ارتفاع (انظر الشكل 2) واثنين من العوامل حجم تعبئة مختلفة من 0.3 و 0.4 على التوالي 12. وتشير البيانات إلى وجود اتجاه لخفض معامل رد مع زيادة سرعة التأثير. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

    1. إذا كان واحد أو كل من الجسيمات جزء، وتحديد أحجام أكبر عدد ممكن من شظايا أكبر قدر ممكن من خلال قياس مناطقها المتوقعة على افتراض والأشكال المناسبة.
      1. في حالة حدوث تجزئة الجسيمات واحد فقط، وعادة ما ينقل كمية معينة من كتلته إلى الجسيمات على قيد الحياة. تحديد مقدار الكتلة نقلها عن طريق قياس حجم يتراكم، على افتراض شكل والمسامية الملائمة لقياس-حوالة الشاملكفاءة ص.

Representative Results

باستخدام عينات من الغبار الكلي تتميز جيدا موضح في البروتوكول (أنظر الشكلين 1-3)، فإن أي اصطدام لوحظ في أحد الأبراج قطرة المختبر تعطي معلومات قيمة علميا على نتائج مماثلة في اصطدام الكواكب الأولية الأقراص. لقد حققت حتى الآن بشكل منهجي نتائج اصطدام 2 سم الحجم المجاميع الغبار كروية (مع حجم ملء عوامل 0.5) في نطاق السرعة بين 0.008 و 2.02 متر / ثانية 13 و 5 سم الحجم المجاميع الغبار أسطواني (مع حجم ملء العوامل بين 0.3 و 0.5) في نطاق السرعة بين 0.004 و 2 متر / ثانية 12. وجدنا كذاب بين المجاميع الغبار كنتيجة لهيمنة السرعات أدناه ~ 0.4 م / ثانية لكلا النوعين من المجاميع الغبار (انظر فيلم 6 للحصول على مثال). في الشكل 4، يظهر معامل إعادة هذه الاصطدامات كذاب. الدوائر تدل التجارب مع 2سم عينات كروية الحجم 13 ومثلثات تمثل النتائج من الاصطدامات بين 5 سم اسطوانات الغبار الحجم مع اثنين من التعبئة والتغليف المختلفة الكثافة 12. على الرغم من أن معاملات إعادة التجارب الفردية مبعثر على نطاق واسع، فإن متوسط ​​قيمة معامل رد يتناقص مع زيادة سرعة الاصطدام.

تفتيت كل من المجاميع الغبار عادة على أثر لالسرعات أعلاه ~ 1 م / ثانية (انظر فيلم 7 للحصول على مثال). لالسرعات بين 0.4 ~ و ~ 1 م / ثانية، يمكن أن يحدث تفتت واحد فقط من اثنين من الاصطدام المجاميع الغبار. في هذه الحالة، والمكاسب غير تفتيت الغبار الكلي على نسبة ضئيلة من الكتلة عن طريق التحويل الشامل 13. حدود السرعة المذكورة أعلاه ليست حادة ولكن دلالة ما يقرب من حيث الحدود بين الأنظمة المختلفة تكمن 2،11. لاصطدام بين المجاميع الغبار من مختلف الأحجام والسرعات المعتدلة، والآثار عموما لن تؤدي ر س تفتيت أكبر من اثنين من المجاميع الغبار. على العكس، فإن الهيئات أكبر زيادة كتلتها عن طريق نقل جزء من كتلة الرواطم أصغر (انظر فيلم 8).

للحالات، في اثنين من المجاميع الغبار ترتد بعضها البعض، ونقل من الطاقة الحركية متعدية قبل الاصطدام (مانع أن المجاميع الغبار لا تدوير قبل الاصطدام) إلى طاقة حركية متعدية، الطاقة الحركية التناوب، وغيرها ( المبددة) ويمكن تحديد قنوات الطاقة (مثل الضغط من الركام والغبار). وجدنا أن لاصطدام المركزية (التي يمكن إهمال الطاقة الدورانية) كمية النسبية للطاقة تبدد يزيد بشدة مع زيادة سرعة وأعلى لأدنى عوامل ملء حجم الغبار المجاميع 12. يمكن أن تكون على غرار هذا السلوك حسب ديناميات الجزيئية المحاكاة 12.

ال تي تي بي :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "الهدف =" _blank "> فيلم 1. فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من الجسيمات على واحد في سلسلة ( أعلى) وآلية إطلاق فخ الباب (القاع).

الفيلم 2 . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من آلية إطلاق فخ الباب المزدوج. العينتين هي كتل من آل 2 O 3 جزيئات من 2 مم، التي ما زالت محصورة أثناء السقوط الحر بسبب اضطراب منخفضة للغاية خلال الإصدار.

الفيلم 3 . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من مقص من نوع آلية إطلاق مزدوجة.

فيلم4. فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من فخ الباب آلية إطلاق مزدوجة الجناحين.

الفيلم 5 . الرسوم المتحركة من الالكترونيات الموقت التبديل آلية إطلاق العلوي والسفلي، وكذلك إطلاق سراح الكاميرا لسقوط حر.

الفيلم 6 . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) حدوث تصادم بين اثنين كذاب 5 من الغبار الكلي اسطوانات سم الحجم. يتم الإفراج عن اثنين من المجاميع الغبار بواسطة مقص من نوع آلية إطلاق مزدوجة وتتصادم مع 0.09 متر / ثانية السرعة.

فيلم 7 . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) اثنين من 2 سم الحجم المجاميع الغبار أسطواني collidiنانوغرام في السرعة النسبية 7.4 متر / ثانية. كل من المجاميع تفتيت تماما.

فيلم 8 . فيلم عالي السرعة (لعبت مرة أخرى في حركة بطيئة) من مجموع المباراتين 5 ملم الحجم الغبار التي تؤثر على مسافة 5 سم الحجم المستهدف صلبة أسطواني. كما سرعة تأثير 4.3 متر / ثانية فوق سرعة تفتيت الكلي الغبار الصغيرة، وهذا ينهار ونقل جزء من كتلتها إلى الهدف، الذي يكون مرئيا بوضوح في الفيلم.

فيلم 9 . تحديد مسارات الجسيمات بواسطة خوارزمية الجسيمات تتبع شبه التلقائي. هنا، يظهر تصادم بين اثنين من 2 سم، الحجم المجاميع الغبار كروية.

Discussion

نظرا لدقة ميكانيكية عالية، ومعدل فشل كلا البرجين انخفاض منخفضة للغاية. هذا أمر في غاية الأهمية، وذلك لأن إعداد العينات قد يستغرق فترة تصل إلى عدة ساعات، وهذا يتوقف على حجم وشكل ومسامية المجاميع الغبار المطلوب. وتجدر الإشارة إلى أن مجاميع كبيرة مع الغبار مسامية عالية جدا هشة للغاية، وبالتالي، من الصعب التعامل معها. أنه قد يحدث أن هذه المجاميع الغبار كسر أثناء استخراج قبالة العفن أو نقلها إلى برج الانخفاض. في هذه الحالات، عينة جديدة يجب أن تكون مستعدة. وبالتالي، فمن المهم أن البرج قطرة صغيرة يسمح موثوق بها (ويمكن التنبؤ بها) سرعات التصادم وصولا الى 0.01 متر / ثانية 11،13. كان أقل سرعة تأثير تحققت حتى الآن 0.004 متر / ثانية. لا يمكن إلا أن يتم التوصل إلى هذه السرعات أثر صغير للجزيئات الحرة في بيئة الجاذبية الصغرى. برج الانخفاض المختبر هو تحقيق رخيصة ومتنوعة من مثل هذا المرفق الجاذبية الصغرى.

Alternatiلقد طرق لتحقيق سرعات تأثير المنخفض الاستفادة من التقنيات الارتفاع 14،15 (مثلا عن طريق القطار الكهرومغناطيسي أو الهوائية) ولكن عموما لحث قوة بين الجسيمات المتصادمة، والذي يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في التحليل من الاصطدامات. علاوة على ذلك، غالبا ما يدفع الارتفاع الحركة الدورانية 14، والذي، إذا غير المرغوب فيها، لا يسمح الاصطدامات خالية من التناوب، ولكن من ناحية أخرى، قد تسمح حتى محاكاة واقعية لاصطدام بين جزيئات الدورية. في حالة الارتفاع الهوائية، والآثار ذات الوسائد الهوائية أثناء الاصطدام ربما تتسبب في الظروف غير المرغوب فيها التي لا تتطابق مع تلك الموجودة أقراص الكواكب الأولية. ومع ذلك، يسمح الارتفاع لفترة غير محدودة الملاحظة والتجارب للتكرار بحيث لابد من النظر بديل للبرج الانخفاض إذا كان ضيق الوقت أمر ضروري. وقد تركزت كل جهودنا حتى الآن على شافي 2 كممثل للسيليكات في تشكيل الأرضية الكوكب صegion من أنظمة الطاقة الشمسية الشباب. كما يتركز معظم كتلة أقراص الكواكب الأولية أبعد نقطة التكثيف من جليد الماء، فمن الضروري أيضا لدراسة سلوك اصطدام المجاميع تتكون من H 2 O الحبوب الجليد ميكرون الحجم. نحن حاليا بإنشاء برج انخفاض البرد فراغ لهذا الغرض. وتجدر الإشارة إلى أن درجات الحرارة في مثل هذه التجارب يجب أن تكون تحت محاكاة ~ 150 K، التي هي درجة الحرارة من ما يسمى ب "خط الثلج" في أقراص الكواكب الأولية ("الخط الثلوج" يقسم المناطق الداخلية حيث الماء في بخار مرحلة من المناطق الخارجية حيث تم العثور على أنها جليد الماء الصلبة). لقد أظهرنا أن تشكيل جزيئات الماء الجليد ميكرون الحجم أمر ممكن وأن المجاميع منها يمكن أن تنتج 16 بحيث نحن متفائلون أن يكون أولا على السلوك باصطدامها في غضون السنوات 1-2 القادمة.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Monodisperse SiO2 particles Micromod 43-00-153 Particle diameter 1.52 ± 0.06 µm; particle shape spherical
Polydisperse SiO2 particles Sigma-Aldrich S5631 Particle diameter 0.1 – 10 µm; particle shape irregular

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Blum, J., Wurm, G. The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks. Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).
  2. Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. The Multifaceted Planetesimal Formation Process. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  3. Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  4. Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier. Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).
  5. Testi, L., et al. Dust Evolution in Protoplanetary Disks. Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. (2014).
  6. Youdin, A. N., Goodman, J. Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).
  7. Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity. The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).
  8. Bai, X. N., Stone, J. M. Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation. The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).
  9. Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth. Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).
  10. Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth. Astronomy and Astrophysics. 544 (2012).
  11. Garaud, P., Meru, F. From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks. The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).
  12. Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates. The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).
  13. Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates. The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).
  14. Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).
  15. Jankowski, T., et al. Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains. Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).
  16. Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy. Icarus. 214, 717-723 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics