जल्दी सौर प्रणाली में धूल कुल टकराव की प्रायोगिक सिमुलेशन के लिए प्रयोगशाला गिरा टावर

Engineering
 

Summary

हम प्रयोगशाला में कमजोर धूल समुच्चय के बीच मध्यवर्ती वेग टकराव को कम वेग प्राप्त करने के लिए एक तकनीक मौजूद है. इस प्रयोजन के लिए, दो वैक्यूम ड्रॉप टावर setups की अनुमति है कि विकसित किया गया है <0.01 और ~ 10 मीटर / सेकंड के बीच टक्कर वेग. टक्कर की घटनाओं उच्च गति इमेजिंग द्वारा दर्ज की गई हैं.

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

जल्दी सौर मंडल में धूल समुच्चय के विकास की जांच करने के प्रयोजन के लिए, हम ऊपर आकारों के साथ नाजुक धूल समुच्चय ~ 70% तक 10 सेमी और porosities टकरा किया जा सकता है, जिसमें दो वैक्यूम ड्रॉप टावरों का विकास किया. बूंद टावरों में से एक मुख्य रूप से नीचे M 0.01 नीचे / सेक करने के लिए बहुत कम प्रभाव गति के लिए इस्तेमाल किया और एक डबल रिलीज तंत्र का उपयोग करता है. Collisions दो धूल समुच्चय के केंद्र के लिए बड़े पैमाने पर फ्रेम में ग्लास वैक्यूम ट्यूब के साथ गिर जाते जो दो उच्च गति कैमरा, स्टीरियो को देखने में दर्ज की गई हैं. अन्य मुक्त गिरावट टावर धीरे अप करने के लिए 5 मीटर / सेकंड धूल समुच्चय को तेज करने में सक्षम है कि एक विद्युत चुम्बकीय त्वरक का उपयोग करता है. मुक्त गिरावट के लिए किसी अन्य धूल कुल की रिलीज के साथ संयोजन में, टक्कर ~ 10 मीटर / सेकंड प्राप्त किया जा सकता करने के लिए गति. यहां, दो निश्चित उच्च गति कैमरों टक्कर घटनाओं रिकॉर्ड. वे हल्का कर रहे हैं और मैच के लिए इतना है कि दोनों ड्रॉप टावरों में, धूल समुच्चय टक्कर के दौरान मुक्त गिरावट में हैंजल्दी सौर प्रणाली में स्थितियां.

Introduction

यह आम तौर पर ग्रह गठन (ब्लम और Wurm द्वारा समीक्षा देखें) 1 बड़ा धूल समुच्चय में microscopically छोटे धूल अनाज की गैर गुरुत्वाकर्षण संचय के साथ शुरू होता है कि स्वीकार कर लिया है. धूल के कणों के कारण ब्राउनियन गति, रिश्तेदार बहाव गतियों, और nebular गैस की अशांति के लिए उनके प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के भीतर टकराने (एट अल Johansen द्वारा समीक्षा देखें.) 2. टक्कर वेग पर्याप्त रूप से कम कर रहे हैं, धूल कणों बड़ा agglomerates फार्म एक साथ चिपके रहते हैं. पिछले वर्षों में प्रयोगशाला माप का एक धन मनमाने ढंग से जनता और टक्कर वेग 3 के साथ धूल समुच्चय की एक जोड़ी के परिणाम की भविष्यवाणी है कि एक धूल से कुल टक्कर मॉडल के लिए नेतृत्व किया. बुनियादी collisional परिणाम, (छोटे कुल जनता और कम टक्कर वेग के लिए सामान्य) में चिपके हुए शेख़ी, और विखंडन (उच्च प्रभाव गति के लिए) कर रहे हैं. हालांकि, इन चरणों के बीच संक्रमण तेजी से नहीं कर रहे हैं और वहाँ अन्य रहे हैंपरिणामों की तरह, जैसे बड़े पैमाने पर स्थानांतरण या कटाव. एक ठेठ प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के लिए इस मॉडल को लागू करने के कुछ हजार साल 4 भीतर सेमी आकार धूल समुच्चय के विकास भविष्यवाणी की है. सेमी आकार धूल समुच्चय की उपस्थिति बड़े पैमाने पर पिछले वर्षों में खगोल विज्ञान की टिप्पणियों से जांच की गई है और स्थापित के रूप में अब हम निष्कर्ष निकाल 5 इतना है कि (द्वारा Testi एट अल. समीक्षा देखें) माना जा सकता है कि सिद्धांत व्यवस्था है जिसके द्वारा पहली macroscopic निकायों युवा ग्रह प्रणालियों में फार्म की पहचान की गई है.

हालांकि, कम से कम किलोमीटर आकार के शव को आगे के विकास तो स्पष्ट नहीं है. स्थलीय ग्रह क्षेत्र के लिए, दो परिकल्पना वर्तमान में (.. भी Johansen एट अल द्वारा इस मामले पर हाल ही में समीक्षा 2 और Testi एट अल 5 देखें) चर्चा कर रहे हैं: सेमी आकार धूल समुच्चय (i) एकाग्रता, जैसे स्ट्रीमिंग अस्थिरता 6 और बाद GRAVITational पतन 7,8 और बड़े पैमाने पर स्थानांतरण प्रक्रिया 9,10,11 द्वारा बाद में जन अभिवृद्धि के साथ बड़े आकार के लिए कुछ 'भाग्यशाली विजेताओं "(ii) विकास. दोनों मॉडलों में, सेमी आकार धूल समुच्चय मध्यम वेग को कम से कम आपसी टकराव की एक विशाल संख्या से गुजरना. यह (शेख़ी) के अलावा इन टकराव के संभावित परिणामों क्या कर रहे हैं यह स्पष्ट नहीं है.

भुक्खड़ एट अल. 3 से धूल कुल टक्कर मॉडल में सुधार और प्रासंगिक वेग शासनों में macroscopic धूल समुच्चय के बीच और अधिक विस्तार में टकराव की जांच करने के लिए, हम में जो व्यक्ति सकल-कुल collisions कर सकते हैं, हमारी प्रयोगशाला में दो बूंद टावरों की स्थापना निर्वात और microgravity परिस्थितियों में महान विस्तार से अध्ययन किया. दोनों ड्रॉप टावरों अवलोकन समय ~ 0.5 सेकंड के लिए सीमा है, जो 1.5 मीटर के एक मुक्त गिरावट ऊंचाई, मेरे पास है. इस प्रकार, हम उच्च गति मेगापिक्सेल प्रारूप के साथ कैमरे और प्रति सेकंड 7500 फ्रेम द्वारा collisions निरीक्षण करते हैं.अधिकतम विपरीत और उच्च गति रिकॉर्डिंग के लिए, उज्ज्वल क्षेत्र रोशनी से चुना जाता है. प्रकाश इस प्रकार उच्च तीव्रता एलईडी पैनल द्वारा उपलब्ध कराए गए और विसारक स्क्रीन से homogenized है. इस प्रकार, उच्च गति कैमरों टकराने धूल एक प्रबुद्ध स्क्रीन के सामने के रूप में अंधेरे वस्तुओं समुच्चय देखने. चंचल से बचने के लिए, एल ई डी डीसी संचालित कर रहे हैं.

कम टक्कर वेग को प्राप्त करने के लिए, दो धूल समुच्चय एक डबल रिलीज व्यवस्था में एक दूसरे के ऊपर रखा जाता है. जी के साथ, वी = जी.टी. के एक रिश्तेदार वेग में कम एक परिणाम से पहले ऊपरी कुल टी के एक समय जारी = 9.81 मीटर / सेकंड 2 पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण त्वरण जा रहा है. दो दिशाओं के अलावा 90 डिग्री से टक्कर देखने जो दो उच्च गति कैमरों,, आम तौर पर दो धूल समुच्चय के बीच में जारी किया जाता है (आमतौर पर ऊपरी कण के बाद / 2 टी). कैमरों कैमरे के प्रभाव से समाप्त होता है, जो सतत रिकॉर्डिंग मोड में चलानेरेत बाल्टी में धारकों. इस परिचालन मोड में अधिकतम फ्रेम दर मेगापिक्सेल संकल्प पर प्रति सेकंड 1000 छवियों है. इस स्थापना के साथ, M / सेक हासिल किया गया है 0.01 नीचे करने के लिए नीचे वेग. कारण डबल रिलीज तंत्र के यांत्रिक सेटअप की सीमाओं के कारण, अधिकतम रिश्तेदार टक्कर गति ~ 3 मीटर / सेकंड है. आकार में 5 सेमी के साथ धूल समुच्चय को शामिल collisions इस ड्रॉप टावर में जांच की गई है. उच्च टक्कर वेग के लिए साइन अप सुचारू रूप से धूल एक ऊर्ध्वाधर ऊपर की दिशा में 5 मीटर / सेकंड तक का समुच्चय में तेजी लाने के लिए सक्षम है कि एक विद्युत चुम्बकीय त्वरक के साथ सुसज्जित है जो ~ 10 मीटर / सेकंड, एक दूसरे ड्रॉप टावर प्रयोग किया जाता है, के लिए. अन्य धूल कुल एक डबल विंग जाल दरवाजा रिलीज तंत्र द्वारा आयोजित किया जाता है और किसी भी समय में मुक्त गिरावट में रोटेशन से मुक्त जारी किया जा सकता है. यहां, यह मुक्त गिरने कैमरों का उपयोग करने के लिए मतलब नहीं है. हम नहीं बल्कि दूसरे और मेगापिक्सेल संकल्प प्रति 7,500 फ्रेम के साथ दो स्थिर उच्च गति कैमरों का उपयोग करें. कारण बड़ा DIAMET कोइस ड्रॉप टावर के एर, धूल (और संभवतः ऊपर) आकार में 10 सेमी इस्तेमाल किया जा सकता है अप करने के लिए समुच्चय.

Protocol

चेतावनी: इसी सुरक्षा डाटा शीट में पाया जा सकता है जो इस्तेमाल किया कणों की संकटापन्नता पर निर्भर करता है, मुंह संरक्षण और सुरक्षा गियर धूल के साथ काम कर रहे व्यक्ति द्वारा पहना जाना चाहिए. यह भी परिवेशी वायु धूल से मुक्त रखने के लिए एक सक्शन प्रणाली का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है.

सेमी आकार धूल सकल नमूने के 1. तैयारी

  1. एम द्वारा आवश्यक सामग्री की मात्रा की गणना = Φ ρ एम आवश्यक बड़े पैमाने पर है, जहाँ 0 वी, Φ (= 1 मात्रा भरने कारक - porosity) वांछित मात्रा भरने कारक है, ρ 0 सामग्री घनत्व है, और वी मात्रा है नमूने की. अनियमित सिलिकेट धूल की 77 ग्राम 0 = 2.6 ग्राम / 3 सेमी) क्रमश: 5 सेमी व्यास और ऊंचाई का एक बेलनाकार नमूना के लिए 70% का एक नमूना porosity (मात्रा भरने कारक = 0.3) प्राप्त करने के लिए आवश्यक है.
    नोट: स्थलीय पीएलए का गठनमुख्य रूप से सिलिकेट से बना - - सेमी आकार झरझरा शरीर में जाल micrometer के आकार धूल अनाज की जमावट के साथ शुरू होता है. एक अच्छी तरह से अध्ययन और उपयुक्त प्रयोगशाला अनुरूप सामग्री (तालिका देखें सैद्धांतिक मॉडल के लिए बेहतर तुलनात्मकता के लिए monodisperse गोलाकार अनाज के रूप में के रूप में भी 0.5 से 10 माइक्रोन से लेकर एक आकार के वितरण के साथ अनियमित आकार का पाउडर के रूप में उपलब्ध है जो 2 Sio, है 1 और चित्रा 1).
2 Sio-मोनोमर अनाज प्रकार निर्माता कण व्यास कण आकार उदाहरण चित्रा
Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 और# 181; मीटर गोलाकार चित्रा 1 (बाएं)
Polydisperse सिग्मा Aldrich 0.1-10 माइक्रोन अनियमित चित्रा 1 (दाएं)

धूल से कुल टक्कर प्रयोगों में इस्तेमाल Sio 2 कणों की तालिका 1. लक्षण.

चित्रा 1
Monodisperse (बाएं) और polydisperse (दाएं) SiO macroscopic धूल समुच्चय के उत्पादन के लिए इस्तेमाल किया 2 कणों की चित्रा 1. इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी छवियों. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

Micrometer के आकार 2 Sio कणों के साथ एक कंटेनर (1 टेबल देखें) ले लो और 0.5 मिमी की एक जाल आकार के साथ एक चलनी पर अपनी सामग्री डाल. सामग्री की एक पर्याप्त राशि झारना और मोल्ड में गणना की जन भरें. नमूना ऊंचाई पर पहुंच गया है जब तक हाथ से एक पिस्टन में धकेलने के द्वारा मोल्ड में सामग्री सेक (जैसे 5 सेमी). , पिस्टन पर ढालना चारों ओर मुड़ें बेस प्लेट खोलने और धीरे नमूना बाहर धक्का.
नोट: नमूने (चित्रा 3 देखें) कई आकृतियों (गोलाकार और बेलनाकार), आकार (10 सेमी 1 मिमी) और porosities (60-85%) में उत्पादित किया जा सकता है. नमूने तो टक्कर प्रयोगों में व्यक्तिगत रूप से इस्तेमाल किया है या फिर अन्य समुच्चय या समूहों के साथ टकराने जो समूहों में जोड़ा जा सकता है.

चित्रा 2
चित्रा 2. तस्वीर. 1 सेमी, 2 सेमी, और 5 सेमी व्यास (वापस पंक्ति), 1 सेमी के साथ धूल क्षेत्रों और 2 सेमी व्यास (मध्य पंक्ति) के साथ धूल सिलेंडरों, और: धूल से कुल नमूना आकारों और आकार की भिन्नता निम्न नमूने दिखाए जाते हैं 2-3 मिमी आकार 2 हे अल 3 क्षेत्रों (सामने). इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

  1. Porosity और एकरूपता के लिए सम्मान के साथ नमूने की विशेषताएँ. नमूने के बाहर की अनुमति दी हाशिये गिर जाते हैं, नए नमूने का उत्पादन.
    1. धूल नमूना के porosity निर्धारित करने के लिए, एक सटीक संतुलन के माध्यम से अपने आयामों और उसके द्रव्यमान को मापने के द्वारा इसकी मात्रा निर्धारित करते हैं.
    2. एकरूपता और उत्पादन नमूना के ध्यान में लीन होना आकार के वितरण के बारे में जानकारी हासिल करने के लिए एक्स - रे टोमोग्राफी (XRT) 12 का प्रयोग करें.
      नोट: 5 सेमी आकार धूल समुच्चय के लिए, हम मतलब मात्रा वास्तविक भरने से विचलन पायाआर, नमूना के द्रव्यमान घनत्व के अनुपात और नमूनों की मात्रा के थोक के भीतर ही लगभग 1% की मोनोमर धूल कणों, और अप करने के द्वारा मात्रा भरने कारक के एक से थोड़ा अधिक वृद्धि की सामग्री घनत्व यानी बाहरी सीमाओं 12 की दिशा में 8%. चित्रा 3 से 5 सेमी व्यास और 5 सेमी ऊंचाई की एक बेलनाकार धूल कुल के माध्यम से एक कटौती की एक XRT पुनर्निर्माण से पता चलता है. हम प्रत्येक धूल कुल के लिए XRT उपयोग करें, लेकिन यादृच्छिक नमूने की आंतरिक संरचना और एकरूपता की जांच नहीं करते.

चित्रा 3
5 सेमी ऊंचाई और XRT विश्लेषण के बाद 5 सेमी व्यास का एक बेलनाकार धूल से कुल नमूना की आंतरिक संरचना के चित्रा 3. पुनर्निर्माण. ग्रे स्केल टी के जन घनत्व के अनुपात है जो मात्रा भरने कारक, अर्थवह नमूना और मोनोमर धूल कणों का घनत्व सामग्री. XRT पुनर्निर्माण से, यह स्पष्ट रूप से इस उच्च porosity नमूना मिमी आकार धूल समुच्चय का उपयोग कर इकट्ठा किया गया था कि दिखाई दे रहा है. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

ड्रॉप टॉवर सेटअप के 2. सिद्धांत

  1. रिलीज तंत्र:
    ड्रॉप टावर के ऊपरी भाग में दो रिहाई तंत्र दूसरे के ऊपर एक जुड़ी हुई हैं. उनमें से हर एक नमूना रखती है और मुक्त गिरावट में इसे रिलीज. ऊपरी की रिहाई और कम कण के बीच समय का अंतर टक्कर के सापेक्ष वेग को निर्धारित करता है. आकृति विज्ञान और कणों के आकार के अनुसार, उचित रिलीज तंत्र चुना जाता है. एक कण त्वरण तंत्र का इस्तेमाल किया जाता है, तो केवल एक ही रिलीज व्यवस्था आवश्यक है.
    1. कण-on-एक स्ट्रिंग रिहाई तंत्र (गोलाकार नमूने, UPPएर कण):
      यह रिलीज तंत्र एक रैखिक solenoid चुंबक और एक ठोस धातु काउंटर टुकड़ा के होते हैं.
      1. एक स्ट्रिंग के लिए जारी किया जाना कण देते हैं. Solenoid चुंबक और ठोस धातु काउंटर टुकड़ा के बीच यह clamping द्वारा जगह में तार पकड़.
      2. , कण जारी solenoid चुंबक के लिए एक विद्युत प्रवाह लागू (1 मूवी देखें).
    2. ट्रैप डोर रिलीज तंत्र (गोलाकार नमूने, कम कण):
      यह रिलीज तंत्र एक कण धारक संलग्न है जो करने के लिए एक रोटरी solenoid चुंबक के होते हैं.
      1. एक बिजली के वर्तमान (1 मूवी देखें) लागू किया जाता है जब एक घूर्णी solenoid से नीचे घुमाया जा रहा है जो एक अर्ध गोलाकार में ढालना कण रखें.
      2. यह व्यवस्था भी कण समूहों या कुल झुरमुटों की रिहाई के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. इस उत्तरार्द्ध मामले में, (2 मूवी देखें) एक दूसरे के ऊपर दो जाल दरवाजा रिलीज तंत्र माउंट.
      3. कैंची प्रकार डबल रिलीज तंत्र (बेलनाकार नमूने):
        यह रिलीज तंत्र एक धातु की छड़ से जुड़ा हुआ है, जो करने के लिए रोटरी solenoid चुंबक के दो जोड़े के होते हैं. प्रत्येक रिलीज तंत्र की दो solenoid मैग्नेट दो धातु की छड़ समानांतर हैं कि इस तरह रखा जाता है.
        1. प्रत्येक दो समानांतर छड़ पर दो नमूने रखें.
        2. मुक्त गिरावट में कणों को रिहा करने के लिए दो घूर्णी solenoids एक विद्युत प्रवाह लागू करें. (3 मूवी देखें).
      4. (कण त्वरण तंत्र के साथ संयोजन में बेलनाकार नमूने,) डबल दक्षिणपंथी जाल दरवाजा रिलीज तंत्र:
        यह रिलीज तंत्र एक साथ एक वी के आकार का कण धारक रूप है जो दो वसंत लोड धातु प्लेट, के होते हैं. दो धातु प्लेट एक रोटरी solenoid चुंबक से जुड़ा हुआ है जो एक धातु की छड़, द्वारा जगह में आयोजित की जाती हैं.
        1. बंद जाल दरवाजे पर बेलनाकार धूल नमूना रखें.
        2. लगाने से जाल दरवाजा अनलॉकsolenoid चुंबक के लिए एक विद्युत प्रवाह. दरवाजे की शेख़ी वापस से बचने के लिए, एड़ी वर्तमान ब्रेक (मूवी 4 देखें) उन्हें रोकने.
          नोट: यह प्रारंभिक वेग और रोटेशन के बिना मुक्त गिरावट में कणों को रिहा करने के लिए महत्वपूर्ण है. इस उद्देश्य के लिए कई रिहाई तंत्र (- 2.1.4 2.1.1) विकसित किया गया है.
    3. कण त्वरण तंत्र:
      एक पूर्व लोड वसंत से या एक विद्युत चुंबकीय संचालित रैखिक मंच द्वारा या तो कणों accelerates. दोनों त्वरक अलग आकार के कणों के लिए नमूना धारकों के साथ सुसज्जित किया जा सकता.

    4. नियंत्रण इलेक्ट्रॉनिक्स:
      टाइमर सेट और वांछित टक्कर वेग प्राप्त करने के लिए उचित मूल्यों के इलेक्ट्रॉनिक्स जारी है और एक केन्द्र के जन फ्रेम में कैमरा संचालित करने के लिए.
      नोट: कण रिहाई, कण त्वरण और कैमरा रिलीज के समय जिनकी कार्यक्षमता एम में विस्तार से बताया है इलेक्ट्रॉनिक टाइमर का एक सेट, द्वारा किया जाता हैovie 5.

    3. प्रदर्शन प्रयोगों

    1. कम वेग से टकराव का (छोटी सी बूंद टॉवर):
      1. कैंची प्रकार डबल रिलीज व्यवस्था और करीब वैक्यूम ग्लास ट्यूब में लोड नमूने हैं.
      2. निकासी शुरू करें और टाइमर मानकों सेट.
      3. उनके चुंबकीय रिहाई इकाइयों को कैमरे देते हैं. निरंतर कैमरा रिकॉर्डिंग शुरू.
        नोट: प्रदर्शन के दौरान कण गति नगण्य है कि इतना होने के कारण एलईडी उज्ज्वल क्षेत्र रोशनी के उच्च तीव्रता, उच्च गति कैमरा के एक पर्याप्त कम जोखिम के समय को चुना जा सकता है. उस के शीर्ष पर, कैमरा उद्देश्य के एफ बंद करो गहराई का ध्यान केंद्रित ड्रॉप टावर के पूरे व्यास भर में विस्तार करने के लिए पर्याप्त उच्च मूल्यों के लिए सेट किया जाना चाहिए.
      4. वांछित वैक्यूम गुणवत्ता पर पहुंच गया है, जब, प्रकाश पर स्विच प्रारंभ बटन दबाएँ और छवि दृश्यों डाउनलोड.
    2. उच्च वेग से टकराव का (बड़ी गिरावट टॉवर):
      1. दोहरी जीत में लोड नमूनेजी जाल दरवाजा रिलीज व्यवस्था और एक्सीलेटर और वैक्यूम ग्लास ट्यूब बंद करें.
      2. निकासी शुरू करें और टाइमर मानकों सेट.
      3. निरंतर कैमरा रिकॉर्डिंग शुरू. वांछित वैक्यूम गुणवत्ता पर पहुंच गया है, जब प्रकाश पर स्विच और प्रारंभ बटन दबाएँ. छवि दृश्यों डाउनलोड करें.
        नोट: प्रदर्शन के दौरान कण गति नगण्य है कि इतना होने के कारण एलईडी उज्ज्वल क्षेत्र रोशनी के उच्च तीव्रता, उच्च गति कैमरा के एक पर्याप्त कम जोखिम के समय को चुना जा सकता है. उस के शीर्ष पर, कैमरा उद्देश्य के एफ बंद करो गहराई का ध्यान केंद्रित ड्रॉप टावर के पूरे व्यास भर में विस्तार करने के लिए पर्याप्त उच्च मूल्यों के लिए सेट किया जाना चाहिए.

    4. उदाहरण प्रयोगों

    1. उपयुक्त रिलीज तंत्र में ध्यान से नमूने लेता है.
      1. कम गति से टकराव का (डबल रिलीज व्यवस्था, 0.09 मीटर / सेकंड): उछल 5 सेमी बनाम 5 सेमी,.
        दो कैंची प्रकार रिहाई तंत्र में नमूने लेता है. तक0.09 मीटर / सेकंड की टक्कर वेग प्राप्त करने, अलग कणों 7 मिमी जगह और 9 मिसे को रिलीज तंत्र के समय में देरी सेट.
        नोट: इस प्रभाव वेग में, धूल के नमूने टक्कर के बाद एक दूसरे से दूर उछाल. छवि अनुक्रम एक मुक्त गिरने उच्च गति कैमरा (मूवी 6 देखें) से कब्जा कर लिया है.

      2. उच्च गति से टकराव का (विद्युत त्वरक, 7.4 मी / सेक): 2 सेमी बनाम 2 सेमी, विखंडन.
        डबल विंग जाल दरवाजा रिलीज व्यवस्था पर एक नमूना लोड; रैखिक चरण त्वरक का नमूना धारक पर अन्य नमूना जगह है.
        नोट: एक साथ ऊपरी धूल कुल गिर जाता है, जबकि 7.4 मीटर / सेकंड की टक्कर वेग को प्राप्त करने के लिए, कम धूल कुल सुचारू, 2 जी के साथ ऊपर की ओर तेजी है. 7.4 मीटर / सेकंड के एक रिश्तेदार वेग में, धूल के नमूने टुकड़ा (मूवी 7 देखें).

      3. बड़ा समुच्चय पर छोटे समुच्चय के उच्च गति टक्कर: 0.5 सेमी बनाम 5 सेमी, बड़े पैमाने पर स्थानांतरण.
        लोड वेंएक कैंची की तरह रिलीज व्यवस्था पर ई बड़ा नमूना; वसंत त्वरक का नमूना धारक पर छोटे नमूने जगह है.
        नोट: एक साथ ऊपरी धूल कुल गिर जाता है, जबकि बड़े पैमाने पर स्थानांतरण के लिए आवश्यक टक्कर वेग को प्राप्त करने के लिए, कम धूल कुल सुचारू रूप से, ऊपर की ओर तेजी है. इस सापेक्ष वेग में, छोटे नमूना टुकड़े और बड़ा नमूना पर स्थानान्तरण जन की एक छोटी राशि. कैमरे के ऊपरी (अधिक भारी) कण के साथ गिरता है, उच्च गति कैमरे द्वारा लिए गए चित्रों से बाहर की से देखा के रूप में जो सच नहीं है, (मूवी 8 देखें) कम या ज्यादा आराम से कम एक बड़े कण की छाप दे बूंद टॉवर.
    2. वैक्यूम ग्लास ट्यूब बंद करें.
    3. ध्यान से धीमी गति से निकासी शुरू करने और वांछित टक्कर के वेग के लिए आवश्यक समय का अंतर करने के लिए टाइमर के मानकों सेट करने के लिए पंपों के लिए वैक्यूम वाल्व खुला.
    4. (मुक्त गिरने कैमरों का इस्तेमाल कर रहे हैं) उनकी रिहाई इकाइयों को कैमरे देते हैं.निरंतर कैमरा रिकॉर्डिंग शुरू और प्रकाश पर स्विच.
    5. वांछित वैक्यूम गुणवत्ता पर पहुंच गया है, जब टाइमर क्रम आरंभ करने के लिए रिलीज बटन दबाएँ.
    6. एक कंप्यूटर के लिए उच्च गति कैमरों द्वारा रिकॉर्ड छवि दृश्यों डाउनलोड करें.

    5. डेटा विश्लेषण

    1. पृष्ठभूमि और वस्तुओं 'ग्रे मूल्य के बीच एक उचित सीमा ग्रे मूल्य चुना है. काला करने के लिए कम ग्रे मूल्यों के साथ (बाइनरी मूल्य 1) ​​सफेद और पिक्सल के लिए सीमा से ऊपर ग्रे मूल्यों के साथ पिक्सल की स्थापना से इस दहलीज पर आधारित एक बाइनरी छवि बनाएँ (बायनरी मान 0).
    2. छवियों में से प्रत्येक में द्रव्यमान का कण 'केंद्र की स्थिति निर्धारित करें. सममित कणों के लिए द्रव्यमान का केंद्र निर्धारित करने के लिए एक अच्छा सन्निकटन प्रक्षेपित क्षेत्र का केंद्र है. इस binarized छवियों से गणना की जाती है.
    3. गणना के लिए कैमरा छवियों से बड़े पैमाने पर की वस्तुओं 'केंद्रों के सापेक्ष स्थिति और समय की जानकारी का प्रयोग करेंसापेक्ष वेग (मूवी 9 देखें). स्थिति वक्र की ढलान मूवी 9 के दाहिने साइड पर दिखाए जाते हैं.
      1. एक rebounding टक्कर के मामले में, सापेक्ष वेग से पहले और संपर्क के बाद निर्धारित करते हैं. पहले टक्कर और बाद वेग के अनुपात यानी, क्षतिपूर्ति के गुणांक की गणना. क्षतिपूर्ति के गुणांक के खिलाफ सापेक्ष वेग प्लॉट. इस विश्लेषण का एक उदाहरण चित्रा 4 में दिखाया गया है.

    चित्रा 4
    Collisions उछल के विश्लेषण के चित्रा 4. उदाहरण. क्षतिपूर्ति के गुणांक, पलटाव वेग और प्रभाव वेग के अनुपात यानी, टक्कर के वेग के एक समारोह के रूप में साजिश रची है. सर्किलों में 2 सेमी diame की गोलाकार धूल समुच्चय के लिए डेटा दिखानेआतंकवाद 13 (देखें चित्र 2), त्रिकोण 5 सेमी व्यास और 5 सेमी ऊंचाई के बेलनाकार धूल समुच्चय के बीच टक्कर निरूपित (देखें चित्र 2) और 0.3 और 0.4 के दो अलग अलग मात्रा भरने कारकों, क्रमशः 12. डेटा बढ़ती प्रभाव वेग के साथ क्षतिपूर्ति के गुणांक की घटती प्रवृत्ति दिखा. इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें.

    1. एक या दोनों कणों टुकड़ा है, उनके संबंधित अनुमान क्षेत्रों को मापने और उचित आकार संभालने के द्वारा संभव के रूप में सबसे बड़ी टुकड़े के रूप में कई के आकार का निर्धारण.
      1. केवल एक कण का विखंडन होता है, यह आमतौर पर जीवित कण को ​​अपने जन की एक निश्चित राशि के हस्तांतरण. जन transfe यों के लिए एक उपयुक्त आकार और porosity संभालने, accreted मात्रा को मापने के द्वारा हस्तांतरित जन की राशि का निर्धारणआर दक्षता.

Representative Results

(आंकड़े 1-3 देखें) प्रोटोकॉल में वर्णित अच्छी तरह से विशेषता धूल से कुल नमूनों का प्रयोग, प्रयोगशाला ड्रॉप टावरों में से एक में मनाया किसी भी टकराव प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में इसी तरह के टकराव के परिणामों पर वैज्ञानिक दृष्टि से बहुमूल्य जानकारी निकलेगा. हम अब तक व्यवस्थित ढंग से 2 सेमी की टक्कर परिणामों के बीच कारकों भरने की मात्रा के साथ (आकार बेलनाकार धूल समुच्चय मीटर / सेकंड 13 0.008 और 2.02 के बीच और 5 सेमी के वेग रेंज में (मात्रा 0.5 के कारकों भरने के साथ) गोलाकार धूल समुच्चय आकार की जांच की है वेग श्रृंखला में 0.3 और 0.5) एम 0.004 के बीच और 2 / सेकंड 12. हम नीचे वेग ~ के लिए हावी परिणाम के रूप में धूल समुच्चय के बीच उछल पाया धूल समुच्चय के दोनों प्रकार के लिए 0.4 मीटर / सेकंड (एक उदाहरण मूवी 6 देखें). चित्रा 4 में, इन उछल टकराव की बहाली के गुणांक दिखाया गया है. हलकों 2 के साथ प्रयोगों निरूपितसेमी आकार गोलाकार नमूने 13 और त्रिकोण दो अलग पैकिंग के साथ 5 सेमी आकार धूल सिलेंडरों के बीच टक्कर से परिणाम का प्रतिनिधित्व 12 घनत्व. व्यक्तिगत प्रयोगों की बहाली के गुणांक व्यापक रूप से तितर बितर हालांकि, क्षतिपूर्ति के गुणांक के औसत मूल्य में वृद्धि टक्कर के वेग के साथ कम हो जाती है.

दोनों धूल समुच्चय आम तौर पर (एक उदाहरण मूवी 7 देखें) ~ 1 मीटर / सेकंड ऊपर वेग के लिए प्रभाव पर टुकड़ा. ~ 0.4 और ~ 1 मीटर / सेकंड के बीच वेग के लिए, केवल एक दो टकराने धूल समुच्चय का विखंडन हो सकता है. इस मामले में, गैर fragmenting धूल कुल बड़े पैमाने पर स्थानांतरण 13 से द्रव्यमान का कुछ प्रतिशत लाभ. उपर्युक्त वेग सीमा में तेजी से नहीं कर रहे हैं, लेकिन विभिन्न सरकारों के बीच की सीमाओं 2,11 झूठ जहां लगभग निरूपित. धूल विभिन्न आकार के समुच्चय और मध्यम वेग के बीच टकराव के लिए, प्रभावों आमतौर टी नेतृत्व नहीं करेंगे ओ दो धूल समुच्चय का बड़ा का विखंडन. विपरीत पर, बड़े निकायों छोटे impactors (मूवी 8 देखें) के द्रव्यमान का हिस्सा के हस्तांतरण से उनके बड़े पैमाने पर वृद्धि हुई है.

दो धूल समुच्चय को एक दूसरे से दूर उछाल जिन मामलों में, के लिए, translational गतिज ऊर्जा से स्थानांतरण टक्कर से पहले (translational गतिज ऊर्जा, घूर्णी गतिज ऊर्जा, और दूसरे में (धूल समुच्चय टक्कर से पहले बारी बारी नहीं है कि मन) क्षणिक) ऊर्जा चैनल (धूल का समुच्चय जैसे संघनन) निर्धारित किया जा सकता है. हम व्यस्त ऊर्जा के रिश्तेदार राशि दृढ़ता बढ़ती वेग के साथ बढ़ जाती है और धूल की कम मात्रा भरने कारकों के लिए अधिक है 12 समुच्चय केंद्रीय collisions के लिए (जिसमें घूर्णी ऊर्जा उपेक्षित किया जा सकता है) मिल गया. यह व्यवहार आणविक गतिशीलता सिमुलेशन 12 से मॉडलिंग की जा सकती है.

TTPs :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "लक्ष्य =" _blank "> मूवी 1. कण पर एक स्ट्रिंग (के (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म ऊपर) और जाल दरवाजा रिलीज तंत्र (नीचे).

मूवी 2 . डबल ट्रैप डोर रिलीज तंत्र की (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म. दोनों नमूने की वजह से रिहाई के दौरान बेहद कम अशांति को मुक्त गिरावट के दौरान ही सीमित रहते हैं जो 2 मिमी व्यास की अल 2 हे 3 कणों के clumps हैं.

मूवी 3 . कैंची प्रकार डबल रिलीज तंत्र की (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म.

चलचित्र4. उच्च गति डबल विंग जाल दरवाजा रिलीज तंत्र की फिल्म (वापस धीमी गति में खेला).

मूवी 5 . ऊपरी और निचले रिलीज व्यवस्था के साथ ही मुक्त गिरावट के लिए कैमरा रिहाई स्विचन टाइमर इलेक्ट्रॉनिक्स की एनिमेशन.

मूवी 6 . दो 5 सेमी आकार के धूल से कुल सिलेंडरों के बीच एक शेख़ी टक्कर से (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म. दो धूल समुच्चय कैंची प्रकार डबल रिलीज तंत्र द्वारा जारी की है और 0.09 मीटर / सेकंड के वेग के साथ टकराने रहे हैं.

मूवी 7 . दो 2 सेमी आकार बेलनाकार धूल समुच्चय (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म collidi7.4 मीटर / सेकंड के एक रिश्तेदार वेग पर एनजी. दोनों समुच्चय पूरी तरह से टुकड़ा.

मूवी 8 . एक 5 सेमी आकार बेलनाकार ठोस लक्ष्य को प्रभावित एक 5 मिमी आकार धूल कुल (वापस धीमी गति में खेला) उच्च गति फिल्म. 4.3 मीटर / सेकंड के प्रभाव वेग छोटे धूल कुल का विखंडन गति से ऊपर है, इस फिल्म में स्पष्ट रूप से दिखाई दे रहा है जो लक्ष्य, के अलावा और तबादलों अपने जन का हिस्सा टूट जाता है.

मूवी 9 एक अर्द्ध स्वचालित कण ट्रैकिंग एल्गोरिथ्म द्वारा कण trajectories के. निर्धारण. यहां, दो 2 सेमी आकार गोलाकार धूल समुच्चय के बीच टकराव दिखाया गया है.

Discussion

कारण उच्च यांत्रिक परिशुद्धता के लिए, दोनों ड्रॉप टावरों की असफलता की दर बहुत कम है. नमूना तैयार आकार, आकृति और वांछित धूल समुच्चय के porosity पर निर्भर करता है, कई घंटे तक का समय लग सकता है, क्योंकि यह अत्यंत महत्वपूर्ण है. यह बहुत ही उच्च porosities साथ बड़ी धूल समुच्चय है, इस प्रकार, संभालना मुश्किल अत्यंत कमजोर हैं और कि उल्लेख किया जाना चाहिए. यह इन धूल समुच्चय ड्रॉप टावर को मोल्ड या हस्तांतरण बंद निकासी के दौरान तोड़ कि हो सकता है. इन मामलों में, एक नया नमूना तैयार हो गया है. इस प्रकार, यह छोटी सी बूंद टावर विश्वसनीय (और उम्मीद के मुताबिक) टक्कर वेग नीचे 0.01 मीटर / सेकंड 11,13 करने की अनुमति देता है कि महत्वपूर्ण है. अब तक हासिल की सबसे कम प्रभाव गति 0.004 मीटर / सेकंड था. इन छोटे प्रभाव वेग केवल एक microgravity वातावरण में मुक्त कणों के लिए पहुंचा जा सकता है. प्रयोगशाला ड्रॉप टावर ऐसे एक microgravity सुविधा का एक सस्ता और बहुमुखी अहसास है.

Alternatiकम प्रभाव गति (विद्युत या वायुगतिकीय उत्तोलन द्वारा जैसे), लेकिन आम तौर पर टकराव के विश्लेषण में ध्यान में रखा जाना है जो टकराने कणों के बीच एक बल प्रेरित उत्तोलन तकनीक 14,15 का उपयोग कर प्राप्त करने के तरीकों की है. इसके अलावा, उत्तोलन अक्सर अवांछित हैं, रोटेशन से मुक्त collisions की अनुमति नहीं है लेकिन, दूसरी ओर, यहां तक कि घूर्णन कणों के बीच टकराव के यथार्थवादी सिमुलेशन की अनुमति हो सकती है, जो घूर्णी गति 14, लाती है. वायुगतिकीय उत्तोलन के मामले में टकराव के दौरान एयर कुशन प्रभाव प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में उन मेल नहीं खाते हैं कि अवांछित स्थितियां पैदा हो सकती है. यह समय सीमा आवश्यक है यदि ड्रॉप टावर के लिए एक विकल्प पर विचार किया जाना है, इसलिए है कि हालांकि, उत्तोलन असीमित अवलोकन समय और repeatable प्रयोगों के लिए अनुमति देता है. हमारे सभी प्रयास अभी तक स्थलीय ग्रह गठन के आर में सिलिकेट के एक प्रतिनिधि के रूप में 2 Sio पर ध्यान केंद्रित किया गया हैयुवा सौर प्रणाली के egion. प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क के द्रव्यमान का सबसे ज्यादा पानी बर्फ का संक्षेपण सीमा से ज्यादा ध्यान केंद्रित किया है, यह भी माइक्रोन आकार एच 2 ओ बर्फ अनाज से मिलकर समुच्चय की टक्कर व्यवहार का अध्ययन करने के लिए आवश्यक है. वर्तमान में हम इस उद्देश्य के लिए एक क्रायो वैक्यूम ड्रॉप टावर स्थापित कर रहे हैं. यह इस तरह के अनुकरण के प्रयोगों में तापमान नीचे "बर्फ रेखा" जल वाष्प में है जहां भीतरी क्षेत्रों बांटता प्रोटोप्लेनेटरी डिस्क में तथाकथित "बर्फ रेखा" (के तापमान है जो ~ 150 कश्मीर, होना चाहिए कि ध्यान दिया जाना चाहिए यह) ठोस पानी बर्फ के रूप में पाया जाता है, जहां बाहरी क्षेत्रों से चरण. हम माइक्रोन आकार के पानी में बर्फ के कणों का गठन संभव है और हम अगले 1-2 वर्षों के भीतर उनकी टक्कर व्यवहार पर पहला परिणाम है आशावादी हैं कि ताकि समुच्चय उसके 16 का उत्पादन किया जा सकता है कि पता चला है कि.

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