מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

Engineering
 

Summary

אנו מציגים טכניקה כדי להשיג מהירות נמוכה לבינונית מהירות התנגשויות בין אגרגטים אבק שבירים במעבדה. לצורך כך, שני setups ירידת מגדל הוואקום פותחו המאפשרים מהירויות התנגשות בין <0.01 ו~ 10 מ '/ שנייה. אירועי ההתנגשות שנרשמו על ידי הדמיה במהירות גבוהה.

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

לצורך חקירת האבולוציה של אגרגטים אבק במערכת השמש המוקדמת, פיתחנו שני מגדלי טיפת ואקום שבו אגרגטים אבק שבריריים עם גדלים של עד ~ ניתן התנגשו 10 סנטימטר וporosities עד 70%. אחד מגדלי הטיפה משמש בעיקר למהירויות השפעה נמוכות מאוד עד מתחת 0.01 מ '/ שנייה ועושה שימוש במנגנון שחרור כפול. התנגשויות נרשמות בסטריאו תצוגה על ידי שתי מצלמות במהירות גבוהה, אשר נופלות לאורך צינור ואקום זכוכית במסגרת המרכז של המסה של שני מצרפי האבק. מגדל הנפילה חופשית האחר עושה שימוש במאיץ האלקטרומגנטי, כי הוא מסוגל בעדינות האצת אגרגטים אבק לעד 5 מ '/ שנייה. בשילוב עם שחרורו של צבירה אבק אחרת לנפילה חופשית, התנגשות במהירויות של עד ~ 10 מ '/ שנייה יכול להיות מושגת. הנה, שתי מצלמות קבועות במהירות גבוהה להקליט את אירועי ההתנגשות. בשני מגדלי הטיפה, אגרגטים האבק נמצאים בנפילה חופשית בזמן ההתנגשות, כך שהם חסרי משקל ולהתאים אתתנאים במערכת השמש המוקדמת.

Introduction

הדעה מקובלת היא שההיווצרות כוכבית לכת מתחילה עם ההצטברות הלא הכבידה של גרגירי אבק קטנים מיקרוסקופי לתוך אגרגטים אבק גדולים יותר (ראה סקירה על ידי בלום וורם) 1. חלקיקי האבק מתנגשים בתוך דיסקי protoplanetary בשל תנועה הבראונית, תנועות סחיפה היחסית, ומערבולת של הגז הערפילי (ראה סקירה על ידי יוהנסן ואח'.) 2. אם מהירויות ההתנגשות הן נמוכות מספיק, חלקיקי אבק המקל יחד כדי ליצור agglomerates הגדול יותר. שפע של מדידות במעבדה בשנים האחרונות הוביל למודל התנגשות אבק מצטבר שמנבא את התוצאה של זוג אגרגטים אבק עם המונים שרירותיים ומהירויות התנגשות 3. תוצאות collisional הבסיסיות דבקות (באופן כללי להמונים המצרפי קטנים ומהירויות התנגשות נמוכות), מקפצים, ופיצול (למהירויות גבוהות השפעה). עם זאת, המעברים בין השלבים אלה אינם חדים ויש אחריםתוצאות, כמו, למשל העברת מסה או שחיקה. החלת מודל זה לדיסק protoplanetary טיפוסי צופה הצמיחה של אגרגטים אבק סנטימטר בגודל תוך כמה אלף שנים 4. הנוכחות של אגרגטים אבק סנטימטר בגודל נחקרה בהרחבה על ידי תצפיות אסטרונומיות בשנים האחרונות ועכשיו יכולה להיחשב כפי שנקבעה (ראה סקירה על ידי טסטי et al.) 5, כך שאנו מגיעים למסקנה כי מנגנון העיקרון לפיו גוף מאקרוסקופי הראשון במערכות שמש צעירות טופס זוהה.

עם זאת, הצמיחה נוספת לגופם של לפחות גדלי קילומטר היא לא כל כך ברורה. לאזור היבשתי, כדור הארץ, שתי השערות נדונות כיום (ראה גם הסקירות האחרונות בנושא זה על ידי יוהנסן ואח' 2 וטסטי ואח' 5..): הריכוז (i) של מצרפי אבק ס"מ בגודל על ידי, לדוגמא חוסר יציבות הזרמת 6 וGravit הבאקריסת ational 7,8 וכן (ii) צמיחה של כמה "זוכים מאושרים" לגדלים גדולים יותר עם ​​הצטברות המונית לאחר מכן על ידי תהליך ההעברה המוני 9,10,11. בשני המודלים, אגרגטים אבק סנטימטר בגודל לעבור מספר עצום של התנגשויות הדדיות במהירויות נמוכות לבינוניות. לא ברור מה התוצאות אפשריות של התנגשויות אלה (מלבד הקפצה) הן.

כדי לשפר את מודל התנגשות האבק מצטבר על ידי Güttler et al. 3 ולחקור בפירוט רב יותר התנגשויות בין אגרגטים אבק מקרוסקופית במשטרים מהירות הרלוונטיים, הקמנו שני מגדלי ירידה במעבדה שלנו, שבו התנגשויות המצרפי-המצרפי אדם יכולים יילמד בפירוט רב בתנאי ואקום וביד. שני מגדלי הירידה ברשות גובה נפילה חופשית של 1.5 מ ', אשר מגביל את זמן תצפית ל~ שניות 0.5. לפיכך, אנו צופים התנגשויות על ידי מצלמות במהירות גבוהה עם פורמט מגה פיקסל ועד 7,500 פריימים לשניה.לניגוד מרבי ומהירויות הקלטה גבוהות, תאורה בהירה שדה נבחרה. תאורה מסופקת ובכך על ידי פנלי LED בעוצמה גבוהה והומוגני ידי מסכי מפזר. לפיכך, מצלמות מהירות גבוהה להציג את האבק מתנגש אגרגטים אובייקטים כהים כמו מול מסך מואר. כדי להימנע מהבהובים, הנוריות DC מופעל.

כדי להשיג מהירויות התנגשות נמוכות, שני אגרגטים האבק ממוקמים מעל אחד אחר במנגנון שחרור כפול. שחרור הצבירה העליונה זמן של t לפני אחד התוצאות נמוכות יותר במהירות היחסית של v = GT, עם G = 9.81 מ '/ שנייה 2 להיות תאוצת הכבידה של כדור הארץ. שתי מצלמות במהירות גבוהה, אשר רואות בהתנגשות משני כיוונים 90 מלבד °, משתחררות בבדרך כלל בין שני אגרגטים האבק (בדרך כלל t / 2 אחרי החלקיק העליון). המצלמות תפעלנה במצב רציף הקלטה, שהוא הופסק על ידי ההשפעה של המצלמההמחזיקים לתוך דליי חול. במסגרת השיעור המרבית במצב תפעולי זה הוא 1,000 תמונות בשניה ברזולוציה של מגה פיקסל. עם ההגדרה הזאת, מהירויות עד מתחת 0.01 מ '/ שנייה היה להשיג. בשל מגבלות של ההתקנה מכאנית של מנגנון השחרור הכפול, מהירות ההתנגשות היחסית המרבית היא ~ 3 מ '/ שנייה. התנגשויות מעורבים אגרגטים אבק עם עד 5 ס"מ בגודל נחקרו במגדל ירידה זו. עבור מהירויות התנגשות גבוהות יותר עד ~ 10 מ '/ שנייה, מגדל טיפה שני משמש, אשר מצויד במאיץ אלקטרומגנטית כי הוא מסוגל להאיץ בצורה חלקה אבק מצרפים של עד 5 מ' / שנייה בכיוון מעלה אנכי. הצבירה האבק אחרת מוחזקת על ידי מנגנון שחרור מלכודת דלת כפולה כנף ויכולה להשתחרר ללא רוטציה לצניחה חופשית בכל זמן נתון. כאן, זה לא הגיוני להשתמש במצלמות של צניחה חופשיות. אנחנו מעדיפים להשתמש בשתי מצלמות נייחות במהירות גבוהה של עד 7,500 פריימים לשניה ברזולוציה מגה פיקסל. בשל diamet הגדול יותראה של מגדל ירידה זו, אבק צובר עד (ואולי גם לעיל) יכול לשמש 10 ס"מ בגודל.

Protocol

זהירות: בהתאם לhazardousness של החלקיקים בשימוש, אשר ניתן למצוא בגיליונות נתוני הבטיחות המתאימים, פה הגנה וציוד בטיחות חייבת להיות משוחק על ידי האדם בעבודה עם האבק. מומלץ גם להשתמש במערכת יניקה כדי לשמור על אוויר אבק ללא סביבה.

1. הכנת דגימות אבק מצטבר סנטימטר בגודל

  1. לחשב את כמות חומר הנדרש על ידי מ '= Φ ρ 0 V, כאשר m הוא המסה הנדרשת, Φ הוא גורם נפח מילוי הרצוי (גורם נפח מילוי = 1 - נקבוביות), ρ 0 הוא צפיפות החומר, וV הוא הנפח של המדגם. 77 גרם של אבק סיליקט סדיר (2.6 גר '/ סנטימטר 3 ρ 0 =) נדרש כדי להשיג נקבוביות מדגם של 70% (גורם נפח מילוי = 0.3) למדגם גלילי של 5 ס"מ קוטר וגובה, בהתאמה.
    הערה: כינונה של PLA היבשתירשתות מתחילה עם קרישה של גרגרים בגודל מיקרומטר אבק - בעיקר מורכבים מסיליקטים - לתוך גוף נקבובי סנטימטר בגודל. חומר אנלוגי מעבדה נלמדת היטב ומתאים הוא SiO 2, שהוא זמין כאבקה בצורת לא סדירה עם התפלגות גודל הנעה .5-10 מיקרומטר, כמו גם בצורה של גרגרים כדוריים monodisperse להשוואה טובה יותר למודלים תיאורטיים (ראה טבלה 1 ואיור 1).
SiO סוג התבואה 2-מונומר יצרן קוטר חלקיקים צורת חלקיקים דמות דוגמא
Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 & # 181; מ ' כדורי איור 1 (משמאל)
Polydisperse סיגמה אולדריץ 0.1-10 מיקרומטר לא סדיר איור 1 (מימין)

טבלת 1. מאפיינים של SiO 2 החלקיקים משמשים בניסויים התנגשות האבק מצטבר.

איור 1
איור 1. תמונות אלקטרונים מיקרוסקופית של monodisperse (משמאל) וpolydisperse (מימין) SiO 2 חלקיקים המשמשים לייצור של אגרגטים אבק מקרוסקופית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

    להתחיל = "2">
  1. קח את מיכל עם SiO 2 חלקיקים בגודל מיקרומטר (ראה טבלה 1) ושופך את תכולתו על מסננת עם גודל רשת של 0.5 מ"מ. לנפות כמות מספקת של חומר ולמלא את המסה מחושבת לתוך התבנית. לדחוס את החומר בעובש על ידי דחיפה בבוכנה ביד עד שיגיע לגובה המדגם (לדוגמא 5 ס"מ). תסתובב העובש על הבוכנה, לפתוח את צלחת הבסיס ודחף בעדינות את המדגם החוצה.
    הערה: ניתן לייצר דוגמאות בכמה צורות (כדוריות וגלילי), גודל (1 מ"מ ל10 סנטימטר) וporosities (60-85%) (ראה איור 3). לאחר מכן ניתן להשתמש דגימות בנפרד בניסויים ההתנגשות או בשילוב לאשכולות, אשר לאחר מכן מתנגשים עם אגרגטים או אשכולות אחרים.

איור 2
איור 2. תצלום של. הווריאציה של גודל מדגם אבק מצטבר וצורות הדגימות הבאות מוצגות: בלוני אבק עם 1 סנטימטר, 2 סנטימטר, וקוטר 5 סנטימטר (בשורה אחורית), כדורי אבק עם 1 סנטימטר וקוטר 2 סנטימטר (שורה במרכז), ו 2-3 מ"מ בגודל Al 2 O 3 כדורים (קדמי). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. לאפיין את הדגימות ביחס לנקבוביות והומוגניות. אם דגימות נופלות שוליים הורשו לצאת החוצה, לייצר דגימות חדשות.
    1. על מנת לקבוע את הנקבוביות של מדגם האבק, לקבוע את נפחו על ידי מדידת ממדיו והמסה שלו בדרך של איזון מדויק.
    2. השתמש טומוגרפיה רנטגן (XRT) 12 כדי לקבל מידע על ההומוגניות והפצה נקבובית בגודל של המדגם מיוצר.
      הערה: לקבלת אגרגטים אבק 5 סנטימטר בגודל, מצאנו סטיות מממוצע הנפח מילוי פקטוr, כלומר היחס בין צפיפות המסה של המדגם וצפיפות החומר של חלקיקי מונומר האבק, רק כ -1% בכמות הגדולה של הנפח של הדגימות ועלייה מעט גדולה יותר של גורם נפח מילוי של עד 8% לכיוון הגבולות החיצוניים 12. איור 3 מציג שחזור XRT של חתך דרך צבירה אבק גלילית של 5 ס"מ קוטר וגובה 5 סנטימטר. אנחנו לא משתמשים בXRT עבור כל צבירה אבק אלא לבחון את המבנה והומוגניות הפנימיים של דגימות אקראיות.

איור 3
איור 3. שיקום של המבנה הפנימי של דגימת אבק מצטבר גלילית של 5 ס"מ גובה וקוטר 5 סנטימטר לאחר ניתוח XRT. הסולם האפור מציין את גורם מילוי הנפח, שהוא היחס בין צפיפות המסה של tהוא לטעום וצפיפות החומר של חלקיקי מונומר האבק. משחזור XRT, הוא נראה בבירור שמדגם גבוה נקבוביות זה הורכב באמצעות אגרגטים אבק מ"מ בגודל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. עיקרון הגדרת Drop מגדל

  1. מנגנוני שחרור:
    בחלקו העליון של מגדל הטיפה שני מנגנוני שחרור מחוברים אחד על גבי השני. כל אחד מהם מחזיק במדגם ומשחרר אותו לצניחה חופשית. הפרש הזמן בין שחרורו של העליון והתחתונים החלקיקים קובע את המהירות היחסית של ההתנגשות. על פי המורפולוגיה והצורה של החלקיקים, מנגנוני שחרור מתאימים שנבחרו. אם נעשה שימוש במנגנון האצת חלקיקים, נדרש רק אחד מנגנון שחרור.
    1. מנגנון שחרור חלקיקים-on-a-מחרוזת (דגימות כדוריות, uppחלקיקי ER):
      מנגנון שחרור זה מורכב ממגנט סולנואיד ליניארי וחתיכת דלפק מתכת מוצקה.
      1. צרף את החלקיקים להשתחרר למחרוזת. החזק את המחרוזת במקום על ידי ההידוק שלו בין מגנט סולנואיד וחתיכת דלפק המתכת מוצקה.
      2. כדי לשחרר את החלקיקים, להחיל זרם חשמלי למגנט סולנואיד (ראה סרט 1).
    2. מלכודת דלת מנגנון שחרור (דגימות כדוריות, חלקיק נמוך יותר):
      מנגנון שחרור זה מורכב ממגנט סולנואיד סיבובי כדי שבעל חלקיקים מצורף.
      1. הנח את החלקיקים לתוך תבנית חצי כדורית, שהוא הסתובב כלפי מטה על ידי סולנואיד סיבובי כאשר זרם חשמלי מוחל (ראה סרט 1).
      2. גם מנגנון זה יכול לשמש עבור שחרורו של צבירי חלקיקים או גושים המצרפי. במקרה אחרון זה, הר שני מנגנוני שחרור מלכודת דלת מעל אחד אחר (ראה סרט 2).
      3. מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג (דגימות גליליות):
        מנגנון שחרור זה מורכב משני זוגות של מגנטים סולנואיד סיבוביים שבה מוט מתכת מחובר למחשב. שני המגנטים סולנואיד של כל מנגנון שחרור ממוקמים כך ששתי מוטות המתכת מקבילות.
        1. מקם את שתי דגימות על גבי שתי מוטות מקבילות כל אחד.
        2. החל זרם חשמלי לשני solenoids סיבובי כדי לשחרר את החלקיקים בנפילה חופשית. (ראה סרט 3).
      4. מנגנון שחרור מלכודת דלת פעמיים כנף (דגימות גליליות, בשילוב עם מנגנון האצת חלקיקים):
        מנגנון שחרור זה מורכב משני לוחות מתכת קפיץ, אשר יחד יוצרים בעל חלקיקים בצורת V. שתי לוחיות המתכת מוחזקות במקום על ידי מוט מתכת, שמחובר לאבן שואבת סולנואיד סיבובית.
        1. מניחים את מדגם האבק הגלילי על מלכודת הדלת הסגורה.
        2. לפתוח את הדלת שעל ידי יישוםזרם חשמלי למגנט סולנואיד. כדי להימנע מהקפצה עצמית של הדלתות, בלמי מערבולתיים לעצור אותם (ראה סרט 4).
          הערה: חשוב כדי לשחרר את החלקיקים לצניחה חופשית בלי מהירות וסיבוב ראשון. לשם כך מספר מנגנוני שחרור פותחו (2.1.1 - 2.1.4).
    3. מנגנוני האצת חלקיקים:
      מאיץ חלקיקים או על ידי קפיץ טעון מראש או על ידי במה ליניארי מונע אלקטרו מגנטי. יכולים להיות מצוידים בשני מאיצים עם מדגם המחזיקים עבור חלקיקים בצורה שונה.

    4. אלקטרוניקה שליטה:
      הגדר את הטיימר ולשחרר אלקטרוניקה לערכים המתאימים כדי להשיג את מהירות התנגשות הרצויה ולהפעיל את המצלמה במסגרת המרכז של המסה.
      הערה: התזמון של שחרור החלקיקים, האצת חלקיקים ושחרור מצלמה מתבצע על ידי מערכת של טיימרים אלקטרוניים, פונקציונלי שמוסברת בMovie 5.

    3. ניסויי הבמה

    1. התנגשויות מהירות נמוכה (מגדל טיפה קטן):
      1. דגימות טען למנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג ושפופרת זכוכית ואקום קרובה.
      2. התחל פינוי ולהגדיר את פרמטרי טיימר.
      3. צרף מצלמות ליחידות השחרור המגנטי שלהם. להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה.
        הערה: בשל העצמה הגבוהה של התאורה בהירה שדה LED, ניתן לבחור זמן חשיפה קצר מספיק של המצלמה במהירות גבוהה, כך שתנועת החלקיקים בחשיפה זניחה. נוסף על כך, ו-stop של המצלמה אובייקטיבית חייב להיות מוגדר לערכים גבוהים מספיק כדי להאריך את העומק של מוקד על כל הקוטר של מגדל הטיפה.
      4. כאשר מגיעה לאיכות הוואקום הרצויה, מפעיל את התאורה, לחץ על לחצן ההתחלה ולהוריד את רצפי תמונה.
    2. התנגשויות במהירות גבוהה (מגדל טיפה גדול):
      1. דגימות טען לפעמים לנצחמנגנון גרם מלכודת דלת שחרור ומאיץ ולסגור את שפופרת הזכוכית הריק.
      2. התחל פינוי ולהגדיר את פרמטרי טיימר.
      3. להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה. כאשר מגיעות לאיכות הוואקום הרצויה, לעבור על תאורה וללחוץ על הכפתור התחל. הורד את רצפי תמונה.
        הערה: בשל העצמה הגבוהה של התאורה בהירה שדה LED, ניתן לבחור זמן חשיפה קצר מספיק של המצלמה במהירות גבוהה, כך שתנועת החלקיקים בחשיפה זניחה. נוסף על כך, ו-stop של המצלמה אובייקטיבית חייב להיות מוגדר לערכים גבוהים מספיק כדי להאריך את העומק של מוקד על כל הקוטר של מגדל הטיפה.

    4. ניסויי דוגמא

    1. טען את הדגימות בזהירות לתוך מנגנון השחרור המתאים.
      1. התנגשויות במהירות נמוכה (מנגנון שחרור כפול; 0.09 מ '/ שנייה): 5 סנטימטר לעומת 5 סנטימטר, מקפץ.
        טען את הדגימות לשני מנגנוני שחרור מספריים מסוג. אללהשיג מהירויות התנגשות של 0.09 מ '/ שנייה, הנח את מ"מ 7 החלקיקים בנפרד ולהגדיר את העיכוב של מנגנוני שחרור הזמן 9 אלפיות שניים.
        הערה: במהירות השפעה זו, דגימות האבק להקפיץ את אחד את השני לאחר ההתנגשות. התמונה ברצף הוא נתפס על ידי מצלמה חופשית נופלת במהירות גבוהה (ראה סרט 6).

      2. התנגשויות במהירות גבוהה (מאיץ האלקטרומגנטי; 7.4 מ '/ שנייה): 2 סנטימטר לעומת 2 סנטימטר, פיצול.
        טען מדגם אחד על מנגנון שחרור מלכודת הדלת הכפולה כנף; מניח את המדגם האחר על בעל המדגם של המאיץ ליניארי השלבים.
        הערה: כדי להשיג מהירויות התנגשות של 7.4 מ '/ שנייה, הצבירה האבק התחתונה בצורה חלקה מואצת כלפי מעלה עם 2 גר', ובמקביל הצבירה האבק העליונה נופלת. במהירות היחסית של 7.4 מ '/ שנייה, שבר דגימות אבק (ראה 7 סרט).

      3. סנטימטר 0.5 לעומת 5 ס"מ, העברת מסה: התנגשות במהירות גבוהה של אגרגטים קטנים על אגרגטים גדולים.
        ה טעןדואר מדגם גדול על מנגנון שחרור מספריים מסוג; מניח את המדגם הקטן יותר על בעל המדגם של מאיץ האביב.
        הערה: כדי להשיג מהירויות התנגשות הנדרשות להעברה המונית, הצבירה האבק התחתונה בצורה חלקה מואצת כלפי מעלה, ובמקביל הצבירה האבק העליונה נופלת. במהירות היחסית הזה, שברי מדגם הקטנים יותר והעברות כמות קטנה של מסה על המדגם הגדול יותר. כמו המצלמה נופלת לאורך החלקיק העליון (מאסיבי יותר), התמונות שצולמו על ידי המצלמה במהירות גבוהה נותנים את הרושם של חלקיקים גדולים יותר או פחות במנוחה (ראו סרט 8), דבר שאינו נכון כפי שניתן לראות מהחלק החיצוני של מגדל הטיפה.
    2. סגור את שפופרת הזכוכית הריק.
    3. בזהירות לפתוח את שסתום הוואקום למשאבות להתחיל פינוי איטי ולהגדיר את הפרמטרים טיימר לפער הזמן הנדרש למהירות התנגשות הרצויה.
    4. צרף מצלמות ליחידות שחרורם (אם מצלמות נפילה חופשיות נמצאות בשימוש).להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה ולעבור על תאורה.
    5. כאשר מגיעה לאיכות הוואקום הרצויה, לחץ על לחצן השחרור ליזום רצף טיימר.
    6. הורד את רצפי התמונה הוקלטו על ידי המצלמות במהירות גבוהה למחשב.

    5. ניתוח נתונים

    1. בחר ערך סף אפור ראוי בין הרקע וערך האפור של האובייקטים. יצירת תמונה בינארית המבוססת על סף זה על ידי הגדרת פיקסלים עם ערכים אפורים מעל הסף ללבן (ערך בינארי 1) ופיקסלים עם ערכים אפורים נמוכים לשחור (ערך בינארי 0).
    2. לקבוע את מיקומו של מרכז מסת החלקיקים בכל אחת מהתמונות. קירוב טוב כדי לקבוע את מרכז המסה עבור חלקיקים סימטריים הוא המרכז של האזור המוקרן. זו מחושבת מתמונות binarized.
    3. השתמש במיקום היחסי של המרכזים 'האובייקטים של מסה והמידע בזמן מתמונות המצלמה כדי לחשב אתמהירות היחסית (ראה 9 סרט). המדרונות של עקומת המיקום מוצגים על יד ימין בצד של 9 סרטים.
      1. במקרה של התנגשות ריבאונד, לקבוע את המהירויות היחסית לפני ואחרי המגע. לחשב את המקדם של השבת, כלומר היחס בין המהירות לאחר ההתנגשות ולפני כן. עלילה המהירות היחסית נגד מקדם של השבת. דוגמא של ניתוח זה מוצגת באיור 4.

    איור 4
    איור 4. דוגמא לניתוח של הקפצת התנגשויות. המקדם של השבת, כלומר היחס של מהירות הריבאונד ומהירות ההשפעה, הוא להתוות כפונקציה של מהירות ההתנגשות. חוגים מראים מידע לאגרגטים אבק כדוריים של 2 סנטימטר diameter 13 (ראה איור 2), משולשים לציין התנגשויות בין אגרגטים אבק גליליים של 5 ס"מ קוטר וגובה 5 סנטימטר (ראה איור 2) ושני גורמי מילוי נפח שונים של 0.3 ו0.4, בהתאמה 12. הנתונים מראים מגמת ירידה במקדם של השבת עם מהירות השפעה הולכת וגוברת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

    1. אם בר חלקיקים אחד או שניהם, לקבוע את הגודל של כרב של שברים הגדולים ככל האפשר על ידי מדידת האזורים הצפויים המיוחסים להם ובהנחת צורות מתאימות.
      1. אם פיצול של רק אחד חלקיקים מתרחש, בדרך כלל מעביר כמות מסוימת של המסה שלו לחלקיק ששרד. קבע את כמות המסה שהועברה על ידי מדידת הנפח הצטבר, בהנחה שצורה ונקבובית מתאימים לכמת ההמוני transfer יעילות.

Representative Results

שימוש בדגימות האבק מצטבר מאופיינות היטב שתוארו בפרוטוקול (ראה איורים 1-3), כל התנגשות נצפתה באחד ממגדלי טיפת המעבדה תניב מידע מדעי רב ערך על תוצאותיהן של התנגשויות דומות בדיסקי protoplanetary. יש לנו עד כה באופן שיטתי חקרנו את תוצאות ההתנגשות של 2 ס"מ בגודל אגרגטים אבק כדוריים (עם נפח מילוי של גורמי 0.5) בטווח המהירות בין 0.008 ו2.02 מ '/ שנייה 13 ושל 5 סנטימטר אגרגטים אבק גליליים בגודל (עם נפח מילוי גורמים בין 0.3 ו0.5) בטווח המהירות בין 0.004 ו2 מ '/ שנייה 12. מצאנו מקפץ בין אגרגטים האבק כתוצאה הבולט עבור מהירויות מתחת ~ 0.4 מ '/ שנייה עבור שני הסוגים של אגרגטים אבק (ראה סרט 6 לדוגמא). באיור 4, המקדם של השבת ההתנגשויות המקפצות האלה מוצג. העיגולים מציינים את הניסויים עם 2דגימות סנטימטר בגודל כדוריות 13 ומשולשים מייצגים תוצאות מהתנגשויות בין 5 סנטימטר צילינדרי אבק בגודל עם שתי אריזות שונות צפיפויות 12. למרות שהמקדמים של השבת של ניסויים בודדים מתפזרים באופן נרחב, הערך הממוצע של מקדם השבת יורד עם מהירות התנגשות גוברת.

שני אגרגטים האבק בדרך כלל לפצל בעת פגיעה למהירויות מעל ~ 1 מ '/ שנייה (ראה סרט 7 לדוגמא). עבור מהירויות בין ~ 0.4 ו ~ 1 מ '/ שנייה, פיצול של רק אחד משני מצרפי האבק מתנגשים יכול להתרחש. במקרה זה, הצבירה האבק שאינו הפיצול זוכה כמה אחוזים מהמסה באמצעות העברה המונית 13. גבולות המהירות הנ"ל אינם חדים אלא נסמן כ בו הגבולות בין המשטרים השונים לשקר 2,11. להתנגשויות בין אגרגטים אבק בגדלים שונים ובמהירויות מתונות, משפיע בדרך כלל לא יוביל t o הפיצול הגדול יותר של שני מצרפי האבק. על ההפך, הגופים גדולים יותר להגדיל את המסה שלהם על ידי העברת חלק מהמסה של אימפקטורים הקטנים יותר (ראה סרט 8).

למקרים, שבו שני אגרגטים האבק להקפיץ את אחד את השני, ההעברה מהאנרגיה הקינטית translational לפני ההתנגשות (אכפת שאגרגטים האבק לא לסובב לפני ההתנגשות) לאנרגיה קינטית translational, אנרגיה הקינטית סיבובית, ואחרים ( מפזר) ערוצי אנרגיה (למשל דחיסה של אגרגטים האבק) ניתן לקבוע. מצאנו כי להתנגשויות מרכזיות (שבו יכולה להיות מוזנחת האנרגיה הסיבובית) את הכמות היחסית של אנרגיה התפוגגה מאוד עולה עם מהירות גוברת, והוא גבוה יותר לגורמי מילוי נפח נמוכים יותר של אבק אגרגטים 12. התנהגות זו יכולה להיות מודל על ידי סימולציות מולקולרית דינמיקה 12.

ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "target =" _blank "> סרט 1. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של (חלקיק-on-a-מחרוזת למעלה) ומנגנון מלכודת דלת שחרור (תחתון).

סרט 2. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור מלכודת דלת הכפול. שני דוגמאות הן גושים של Al 2 O 3 חלקיקים של 2 מ"מ קוטר, שיישארו מוגבל בזמן נפילה חופשית עקב ההפרעה הנמוכה מאוד במהלך שחרור.

סרט 3. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג.

סרט4. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של מנגנון שחרור מלכודת הדלת הכפולה כנף.

סרט 5. אנימציה של האלקטרוניקה טיימר מיתוג מנגנון השחרור העליון ותחתון, כמו גם את שחרור המצלמה לנפילה חופשית.

סרט 6. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של התנגשות מקפצת בין שני 5 צילינדרי אבק מצטבר סנטימטר בגודל. שני אגרגטים האבק שפורסמו על ידי מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג ומתנגשים עם 0.09 מהירות מ '/ שנייה.

סרט 7. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של שני 2 ס"מ בגודל אגרגטים אבק גליליים colliding במהירות יחסי של 7.4 מ '/ שנייה. שני אגרגטים לפצל לחלוטין.

סרט 8. סרט מהיר (שיחק בחזרה בהילוך איטי) של צבירה 5 אבק מ"מ בגודל משפיעה יעד מוצק גלילי 5 ס"מ בגודל. כמו מהירות ההשפעה של 4.3 מ '/ שנייה היא מעל מהירות הפיצול של הצבירה האבק הקטנה, זה מתפרק ומעביר חלק מהמסה שלו ליעד, שנראה בבירור בסרט.

סרט 9. קביעת מסלולי חלקיקים על ידי אלגוריתם חלקיקי מעקב אוטומטי למחצה. הנה, את ההתנגשות בין שני 2 אגרגטים אבק כדוריים סנטימטר בגודל מוצגת.

Discussion

בשל הדיוק המכני הגבוה, שיעור הכישלון של שני מגדלי הירידה הוא נמוך ביותר. זה הוא בעל חשיבות עליונה, כי הכנת המדגם עשויה להימשך עד מספר שעות, תלוי בגודל, צורה ונקבובית של אגרגטים אבק הרצויים. יש לציין כי אגרגטים אבק גדולים עם porosities גבוה מאוד הם שבירים מאוד, ולכן קשה להתמודד. זה עלול להתרחש כי אגרגטים אבק אלה לשבור במהלך חילוץ מהעובש או ההעברה למגדל הטיפה. במקרים אלה, מדגם חדש צריך להיות מוכן. לפיכך, חשוב שמגדל הטיפה הקטן מאפשר מהירויות התנגשות אמינות (וצפויות) עד 0.01 מ '/ השני 11,13. מהירות ההשפעה הנמוכה ביותר שהושגה עד כה הייתה 0.004 מ '/ שנייה. ניתן להגיע למהירויות השפעה קטנות אלה רק עבור חלקיקים חופשיים בתנאי כבידה זעיר. מגדל טיפת המעבדה הוא מימוש זול ותכליתי של מתקן כזה כבידה.

משתניש שיטות להשגת מהירויות השפעה נמוכות עושות שימוש בטכניקות ריחוף 14,15 (למשל על ידי ריחוף אלקטרומגנטית או אווירודינמי) אבל בדרך כלל לגרום לכוח בין החלקיקים מתנגשים, אשר יש לקחת בחשבון בניתוח של ההתנגשויות. יתר על כן, לעתים קרובות גורם לריחוף תנועה סיבובית 14, אשר, אם לא רצוי, לא מאפשרת התנגשויות ללא רוטציה, אבל, מצד שני, אולי אפילו לאפשר סימולציות מציאותיות של התנגשויות בין חלקיקים מסתובבים. במקרה של ריחוף אווירודינמי, אפקטי כרית האוויר במהלך ההתנגשות עלולים לגרום לתנאים לא רצויים שאינו תואמים את אלה בדיסקי protoplanetary. עם זאת, ריחוף מאפשר לזמן תצפית בלתי מוגבל וניסויים לשחזור, כך שיש לו כדי להיחשב חלופה למגדל הטיפה אם הגבלת הזמן היא חיונית. כל המאמצים שלנו עד כה התרכזו בSiO 2 כנציג של סיליקטים בr היווצרות היבשתי-כדור הארץegion של מערכות שמש צעירות. כפי שרוב המסה של דיסקי protoplanetary מרוכז מעבר לנקודה של קרח מים העיבוי, זה חיוני גם כדי ללמוד את התנגשות ההתנהגות של אגרגטים בהיקף של 2 O-קרח הדגנים H מיקרומטר בגודל. בימים אלה אנו מקימים מגדל טיפת cryo-ואקום למטרה זו. יש לציין, כי הטמפרטורות בניסויי סימולציה כזו חייבת להיות מתחת ~ 150 K, המהווה את הטמפרטורה של מה שנקרא "קו השלג" בדיסקי protoplanetary ("קו השלג" מחלק האזורים הפנימיים שבו מים הוא באדים שלב מהאזורים החיצוניים שבו הוא נמצא כקרח מים מוצק). הראנו כי היווצרות קרח המים חלקיקי מיקרומטר בגודל אינה ריאלי וכי אגרגטים ניתן לייצר 16 כך שאנחנו אופטימיים יש תוצאות הראשונות על התנגשות ההתנהגות שלהם בתוך 1-2 השנים הבאות.

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