Erken Güneş Sistemi Toz-agrega Çatışmayı Deneysel Simülasyon Laboratuvarı Bırak Towers

Engineering
 

Summary

Biz laboratuvarda kırılgan toz agrega arasındaki ara-hız çarpışmalar düşük hız elde etmek için bir teknik mevcut. Bu amaçla, iki vakumlu damla kulesiz kurulumları izin geliştirilmiştir <0.01 ve ~ 10 m / san arasında çarpışma hızları. Çarpışma olaylar, yüksek hızlı görüntüleme ile kaydedilir.

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

Erken Güneş Sistemi içinde toz agrega evrimini araştıran amaçla, biz boyutları ile kırılgan toz agrega ~% 70 10 cm ve gözenekler çarpıştı olabilir hangi iki vakum açılan kuleleri geliştirdi. Damla kulelerinden biri öncelikle aşağı m 0.01 aşağıda / sn çok düşük darbe hızları için kullanılan ve bir çift salma mekanizmasının kullanımı yapar. Çarpışmalar iki toz agrega merkez-kütle çerçeve içinde cam vakum tüp boyunca düşüş iki yüksek hızlı kameralar ile stereo-görünümde kaydedilir. Diğer serbest düşme kulesi yavaşça kadar 5 m / sn 'ye toz agrega hızlandırma yeteneğine sahip bir elektromanyetik hızlandırıcı kullanır. Serbest düşme başka toz agreganın serbest bırakılması ile birlikte, çarpışma ~ 10 m / sn elde edilebilir hızlandırır. Burada, iki sabit yüksek hızlı kameralar çarpışma olayları kaydetmek. Onlar ağırlıksız ve maç için her iki damla kuleleri, toz agrega çarpışma sırasında serbest düşme vardırErken Güneş Sistemi'ndeki koşullar.

Introduction

Genellikle gezegen oluşumu (Blum & Wurm tarafından inceleme) 1 büyük toz agrega içine mikroskobik küçük toz tanelerinin yerçekimi olmayan birikimi ile başladığı kabul edilmektedir. Toz parçacıkları nedeniyle Brown hareketi, göreli kayma hareketleri ve bulutsu gaz türbülans kendi protoplanetary diskler içinde çarpışır (ark Johansen Değerlendirmenizi görmek.) 2.. Çarpışma hızı yeterince düşük ise, toz parçacıkları büyük yığınlar oluşturmak için beraber hareket. Geçtiğimiz yıllarda laboratuvar ölçümlerinin bir zenginlik keyfi kitleler ve çarpışma hızlarının 3 ile toz agrega bir çift sonucunu tahmin toz-agrega çarpışma modeline yol açmıştır. Temel çarpışma sonuçları (küçük agrega kitleler ve düşük çarpışma hızlarında için genel olarak) yapışmasını sıçrayan ve parçalanma (yüksek darbe hızları için) vardır. Ancak, bu fazlar arasındaki geçişler keskin değildir ve diğer vardırçıktıları gibi, örneğin kütle transferi veya erozyon. Tipik bir protoplanetary diske bu modeli uygulayarak birkaç bin yıl içinde 4 cm büyüklüğünde toz agrega büyüme öngörüyor. Cm boy toz agrega varlığı yaygın son yıllarda astronomik gözlemler tarafından incelenmiş ve kurulmuş gibi şimdi biz sonuçlandırmak 5 böylece ile (Testi ve diğ. Değerlendirmenizi görmek) kabul edilebilir olduğunu ilke hangi mekanizma ile ilk makroskopik organları genç gezegen sistemlerinin form tespit edilmiştir.

Ancak, en azından kilometrelik boyutlarda organlarına daha fazla büyüme o kadar açık değildir. Karasal gezegen bölge için, iki hipotez şu anda (.. Ayrıca Johansen ve arkadaşları tarafından bu konuda son yorumları 2 ve Testi vd 5) ele alınmıştır: by cm büyüklüğünde toz agrega (i) konsantrasyonu, örneğin akarsu istikrarsızlık 6 ve daha sonraki gravitilli çöküşü 7,8 ve kütle-transfer süreci 9,10,11 tarafından daha sonraki kütle toplanma ile daha büyük boyutlarda bir kaç "şanslı kazananlar" (ii) büyüme. Her iki modelde de, cm büyüklüğünde toz agrega orta hızlarda düşük karşılıklı çarpışmaları büyük bir sayı tabi. Bu (zıplatma dışında) bu çarpışmalar olası sonuçları nelerdir belirsizdir.

Güttler vd. 3 oranında toz toplam çarpışma modeli geliştirmek ve ilgili hız rejimlerinde makroskopik toz agrega arasında daha ayrıntılı çarpışmalar araştırmak için, biz hangi bireysel agrega-agrega çarpışmalar can, bizim laboratuvarda iki damla kuleleri kurmak vakum ve mikrogravite koşullar altında çok detaylı olarak incelenecektir. Her iki damla kuleleri gözlem zamanı ~ 0.5 sn sınırlar 1,5 m serbest düşme yüksekliği, sahip. Böylece, yüksek hızlı megapiksel formatında kameralar ve saniyede 7.500 kare ile çarpışmaları gözlemlemek.Maksimum kontrast ve yüksek kayıt hızları için, parlak alan aydınlatma seçilir. Aydınlatma ve böylece yüksek yoğunluklu LED panel tarafından sağlanan ve difüzör ekranlar ile homojenize edilir. Böylece, yüksek hızlı kameralar çarpışan toz ışıklı bir ekranın önünde karanlık nesneleri toplayan görüntüleyebilirsiniz. Titremeyi önlemek için, LED'ler DC güç vardır.

Düşük çarpışma hızları elde etmek için, her iki toz agrega bir çift serbest bırakma mekanizması içinde, birbirleri üzerine yerleştirilir. G, v = gt bir nispi hızındaki düşük bir sonuç daha önce üst agrega t bir bırakma süresi = 9.81 m / sn 2 Dünya'nın yerçekimi ivmesi olmak. İki yönden ayrı 90 ° 'den çarpışma görüntülemek iki yüksek hızlı kameralar, genellikle iki toz büyüklükler arasında yayımlanan (genellikle üst parçacığın sonra / 2 t). Kameralar kamera etkisi ile sonlandırılır sürekli kayıt modunda, çalıştırmakkum kova içine sahipleri. Bu çalışma modunda maksimum kare hızı megapiksel çözünürlükte saniyede 1.000 görüntülerdir. Bu kurulum ile, m / sn elde edilmiştir 0.01 altına kadar hızlar. Nedeniyle çift salma mekanizmasının mekanik kurulum sınırlamaları, maksimum bağıl çarpışma hızı ~ 3 m / sn 'dir. Boyutu kadar 5 cm toz agrega içeren Çarpışmalar bu açılan kulede incelenmiştir. Yüksek çarpışma hızları için yukarı düzgün toz dikey yukarı yönde 5 m / sn 'ye kadar agrega hızlandırmak için yetenekli bir elektromanyetik hızlandırıcı ile donatılmıştır ~ 10 m / san, ikinci bir damla kule kullanılır için. Diğer toz agrega bir çift kanat trap-kapak açma mekanizması ile düzenlenen ve herhangi bir zamanda serbest düşüşe dönüşünü serbest bırakılabilir. İşte, o serbest düşen kameralar kullanmak mantıklı değil. Biz oldukça saniye ve megapiksel çözünürlüğe başına kadar 7.500 kare ile iki sabit yüksek hızlı kameralar kullanıyoruz. Nedeniyle büyük Diamet içinBu açılan kulenin er, toz (ve muhtemelen yukarıda) boyutu 10 cm kullanılabilecek kadar toplar.

Protocol

DİKKAT: tekabül Güvenlik Bilgi Formları bulunabilir kullanılan parçacıkların Zararlılık bağlı olarak, ağız koruma ve güvenlik dişli toz ile çalışan kişi tarafından giyilmelidir. Ayrıca ortam hava tozsuz tutmak için bir emme sistemi kullanmak için tavsiye edilir.

Cm boy Toz Agrega Örnekleri 1. Hazırlanması

  1. M gerektirdiği malzeme miktarını hesaplayın = Φ ρ m gerekli kütlesi 0 V, Φ (= 1 hacim doldurma faktörü - gözenekliliği) istenen hacim doldurma faktörü, ρ 0 malzemenin yoğunluğu ve V hacimdir Numunenin. Düzensiz silikat toz 77 g 0 = 2,6 g / cm 3), sırasıyla, 5 cm çap ve yükseklik silindirik bir örnek için% 70 örnek bir gözenekliliğe (hacim doldurma faktörü = 0.3) elde etmek için gereklidir.
    Not: karasal pla oluşmasıağırlıklı olarak silikat oluşan - - cm büyüklüğünde gözenekli organları içine ağları mikrometre büyüklüğünde toz taneciklerinin koagülasyon ile başlar. İyi çalışılmış ve uygun laboratuar analog madde (bkz. Tablo teorik model için daha karşılaştırılabilirlik için Tek dağılımlı küresel taneler formunda hem de 0.5 ila 10 um arasında değişen bir boyut dağılımına sahip düzensiz şekilli bir toz olarak kullanılabilir SiO 2 olduğu 1 ve Şekil 1).
SiO 2-monomer tahıl türü Üretici Partikül çapı Tane şekli Örnek rakam
Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 ve# 181; m Küresel Şekil 1 (sol)
Polidispers Sigma-Aldrich 0,1-10 um Düzensiz Şekil 1 (sağ)

Toz toplam çarpışma deneylerinde kullanılan SiO 2 parçacıkların Tablo 1.. Özellikleri.

Şekil 1
Tek dağılımlı (sol) ve polidispers (sağ) SiO makroskopik toz agrega üretiminde kullanılan 2 parçacıklar Şekil 1.. Elektron-mikroskobu görüntüleri. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Mikrometre boyutlu SiO 2 partikülleri ile bir kap (Tablo 1 e bakınız) alın ve 0.5 mm'lik bir ağ boyutuna sahip bir elek üzerine içeriğini dökün. Malzemenin yeterli miktarda eleyin ve kalıp içine hesaplanan kütle doldurun. Numune yüksekliğe ulaşana kadar elle bir piston iterek kalıp içinde malzemenin sıkıştırın (örneğin 5 cm). , Piston üzerindeki kalıp etrafında getirin, taban plakası açık ve yavaşça örnek dışarı itme.
Not: Örnekler (bkz. Şekil 3) çeşitli şekillerde (küresel ve silindirik), boyut (10 cm ile 1 mm) ve gözenek (60-85%) olarak üretilebilir. Numuneler daha sonra, çarpışma deneylerde tek başına kullanılan ya da daha sonra başka agregatlar ya da kümeleri ile çarpışır kümeler, birleştirilebilir.

Şekil 2,
Şekil 2.. Fotoğraf. 1 cm, 2 cm, 5 cm çapına (arka sıra), 1 cm toz küreler ve 2 cm çaplı (orta sıra) ile toz silindir ve: toz-Paçal numune boyut ve şekil değişimi aşağıdaki örnekler gösterilmiştir 2-3 mm büyüklüğünde Al 2 O 3 küreler (ön). , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

  1. Gözeneklilik ve homojenliğe ilişkin örnekleri karakterize eder. Örnekler dışında izin marjları düşersen, yeni örneklerini üretmek.
    1. Toz numune gözenekliliğini belirlemek için, kesin bir denge ile boyutları ve kütlesi ölçerek hacmini belirler.
    2. Homojenlik ve üretilen numunenin gözenek boyutu dağılımı hakkında bilgi elde etmek için X-ışını tomografisi (XRT) 12 kullanın.
      Not: 5 cm büyüklüğünde toz agrega için, ortalama hacim facto dolduruyor sapmalar bulundur, numunenin kütle yoğunluğu oranına ve örneklerin hacim kütlesi içinde sadece yaklaşık% 1-monomer toz parçacıkları ve imkanı ile hacim doldurma faktörü biraz daha büyük bir artış, yani malzeme yoğunluğunun dış sınırları 12 karşı% 8. Şekil 3, 5 cm çapında ve 5 cm yüksekliğinde ve silindirik bir toz agrega ile kesilmiş bir XRT yeniden gösterir. Biz her toz agrega için XRT kullanabilirsiniz ama rastgele örnekler iç yapısını ve homojenliği incelemek değildir.

Şekil 3,
5 cm yüksekliğinde ve XRT analizi sonrasında 5 cm çaplı bir silindirik toz toplam numunenin iç yapısı Şekil 3.. Yeniden düzenlemesi. Gri ton t kütle yoğunluğu oranıdır hacim doldurma faktörü temsil edero örnek ve monomer toz parçacıklarının malzeme yoğunluğu. XRT yeniden itibaren, açıkça bu yüksek gözenekli numune mm boyutlu toz agrega kullanılarak monte edilmiş olduğu görülmektedir. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

Drop Tower Kur'un 2. Prensibi

  1. Yayın mekanizmaları:
    Damla kulesinin üst kısmında iki serbest bırakma mekanizmaları diğerinin üst üste monte edilmiştir. Bunların her biri bir örnek tutan ve serbest düşme içine bırakır. Üst serbest bırakılması ve alt parçacık arasındaki zaman farkı, çarpışmanın göreceli hızını belirler. Morfolojisi ve parçacıkların şekline göre, uygun bir serbest bırakma mekanizmaları seçilir. Bir parçacık hızlandırma mekanizması kullanılırsa, sadece bir serbest bırakma mekanizması gereklidir.
    1. Parçacık-on-a-string serbest bırakma mekanizması (küresel örnekleri, upper parçacık):
      Bu serbest bırakma mekanizması doğrusal selenoid mıknatıs ve sağlam metal karşı parça oluşur.
      1. Bir dize tahliye edilecek parçacık takın. Solenoid mıknatıs ve katı metal karşı parça arasına sıkıştırma ile yerinde dize tutun.
      2. , Parçacık serbest solenoid mıknatıs için bir elektrik akımı uygulanır (Film 1 e bakınız) katılmıştır.
    2. Trap-kapak açma mekanizması (küresel örnekleri, alt tanecik):
      Bu serbest bırakma mekanizması bir parçacık tutucu bağlı olduğu için döner solenoid mıknatıs oluşur.
      1. Bir elektrik akımı (Film 1 e bakınız) uygulandığında döner bir solenoit tarafından aşağı doğru döndürülen bir yarı küresel kalıp içine, parçacık yerleştirin.
      2. Bu mekanizma aynı zamanda parçacık kümeleri veya toplam topaklar serbest bırakılması için kullanılabilir. Bu son durumda, (Film 2 'ye bakınız), birbirleri üzerine iki kapan kapak açma mekanizması monte edin.
      3. Makas tipi çift salma mekanizması (silindirik örnek):
        Bu serbest bırakma mekanizması bir metal çubuk bağlı olduğu için döner solenoid mıknatıs iki çift oluşur. Her bir serbest bırakma mekanizması iki solenoid mıknatıs iki metal çubuklar paralel olacak şekilde yerleştirilir.
        1. Her iki paralel çubukların üzerine iki numune yerleştirin.
        2. Serbest düşüşe parçacıkları serbest bırakmak için iki dönme solenoidlere bir elektrik akımı uygulanır. (Film 3'e bakınız).
      4. (Parçacık hızlandırma mekanizması ile birlikte silindirik numuneler) Çift kanat trap-kapak açma mekanizması:
        Bu serbest bırakma mekanizması birlikte bir v-şeklinde bir parçacık tutucu oluşturan iki yaylı metal plakalar oluşur. Iki metal plaka bir döner solenoid mıknatıs bağlı bir metal çubuk tarafından yerinde tutulur.
        1. Kapalı tuzak kapı üzerine silindirik toz örnek yerleştirin.
        2. Uygulayarak tuzak-kapı kilidinisolenoid mıknatıs için bir elektrik akımı. Kapı zıplatma geri önlemek için, indüksiyon akımı frenler (Film 4) onları durdurmak.
          Not: Bu, ilk hız ve dönme olmadan düşüşe parçacıkları serbest bırakmak için çok önemlidir. Bu amaç için çeşitli serbest bırakma mekanizmaları (- 2.1.4 2.1.1) geliştirilmiştir.
    3. Parçacık hızlandırma mekanizmaları:
      Bir önceden yüklenmiş yay ya da bir elektro-manyetik olarak tahrik edilen lineer aşama ya da parçacıkları hızlandırır. Her iki hızlandırıcı farklı şekilli partiküller için numune tutucu ile donatılmış olabilir.

    4. Kumanda elektroniği:
      Zamanlayıcı ayarlayın ve istenilen çarpışma hızını elde etmek için uygun değerlere elektronik bırakın ve bir merkez-kütle çerçeve içinde kamerayı çalıştırmak için.
      Not: parçacık serbest bırakma, parçacık hızlandırma ve kamera yayın zamanlaması olan işlevselliği M açıklanmıştır elektronik zamanlayıcı, bir dizi ile gerçekleştirilirovie 5.

    3.. Gösteri Deneyleri

    1. Düşük hız çarpışmalar (küçük düşme kulesi):
      1. Makas tipi çift bırakma mekanizması ve yakın vakum cam tüpe yük örnekleri.
      2. Tahliye başlayın ve zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak.
      3. Manyetik serbest birimlerine kameralar takın. Sürekli kamera kaydı başlatın.
        Not: pozlama sırasında parçacık hareket ihmal edilebilir ve bunun sonucunda LED parlak-alan aydınlatma yüksek yoğunluğuna, yüksek hızlı kamera yeterince kısa bir etki süresi seçilebilir. Bunun üstüne, kamera hedefi f-stop derinliği odak-açılan kulenin tüm çapa üzerinde genişletmek için yeterince yüksek değerlere ayarlanması gerekir.
      4. Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, aydınlatmasını başlangıç ​​düğmesine basın ve görüntü dizileri indirmek.
    2. Yüksek hız çarpışmalar (büyük düşüş kulesi):
      1. Kazan-kazan içine yük örneklerig trap-kapak açma mekanizması ve hızlandırıcı ve vakumlu cam tüp kapatın.
      2. Tahliye başlayın ve zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak.
      3. Sürekli kamera kaydı başlatın. Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, aydınlatma açmak ve start düğmesine basın. Görüntü dizileri indirin.
        Not: pozlama sırasında parçacık hareket ihmal edilebilir ve bunun sonucunda LED parlak-alan aydınlatma yüksek yoğunluğuna, yüksek hızlı kamera yeterince kısa bir etki süresi seçilebilir. Bunun üstüne, kamera hedefi f-stop derinliği odak-açılan kulenin tüm çapa üzerinde genişletmek için yeterince yüksek değerlere ayarlanması gerekir.

    4. Örnek Deneyler

    1. Uygun bırakma mekanizması dikkatlice örnekleri yükleyin.
      1. Düşük hızda çarpışmaları (çift salma mekanizması; 0.09 m / sn): zıplayan 5 cm vs 5 cm.
        İki makas-tipi bırakma mekanizmaları örnekleri yükleyin. Karşı0.09 m / sn çarpışma hızları elde, ayrı parçacıklar 7 mm koyun ve 9 msn bırakma mekanizmaların zamanı ayarlayabilirsiniz.
        Not: Bu darbe hızı anda, toz örnekleri çarpışmadan sonra birbirlerine kapalı çıkma. Görüntü sırası serbest düşen bir yüksek hızlı kamera (Film 6) tarafından yakalanır.

      2. Yüksek hızlı çarpışmalar (elektromanyetik hızlandırıcı; 7.4 m / sn): 2 cm vs 2 cm, parçalanma.
        Çift kanat trap-kapak açma mekanizması üzerine bir örnek yükleyin; lineer aşamalı hızlandırıcının numune tutucu üzerinde diğer numuneyi.
        Not: Aynı anda üst toz toplama çökerken, 7.4 m / sn 'lik bir çarpışma hızları elde etmek için, alt toz toplama düzgün, 2 g yukarı doğru hızlanır. 7.4 m / sn 'lik bir nispi hız olarak, toz numuneleri parçası (film 7).

      3. Büyük agrega küçük agrega yüksek hızlı çarpışma: 0.5 cm vs 5 cm, kütle transferi.
        Yük incibir makas tipi bırakma mekanizması üzerine e büyük örnek; yay hızlandırıcı numune tutucu üzerine küçük örnek bir yer.
        Not: Aynı anda üst toz toplama düşerken kütle transferi için gerekli çarpışma hızları elde etmek için, daha düşük toz agrega sorunsuz, yukarı doğru hızlanır. Bu göreceli hız olarak, daha küçük bir numune fragmanları ve daha büyük bir numune üzerine transfer kütlesinin küçük bir miktar. Kamera üst (daha büyük) parçacığın boyunca düşer gibi, yüksek hızlı kamera tarafından çekilen görüntüleri dıştan görüldüğü gibi doğru değildir ki, (Film 8) daha fazla veya daha az kalan bir büyük parçacığın izlenimi vermek damla kule.
    2. Vakumlu cam tüp kapatın.
    3. Dikkatle yavaş tahliye başlar ve istenilen çarpışma hızı için gerekli olan zaman farkı zamanlayıcı parametrelerini ayarlamak için pompalara vakum vanasını açın.
    4. (Serbest düşme kameralar kullanılıyor ise) onların serbest birimlerine kamera takın.Sürekli kamera kaydı başlatın ve aydınlatma açın.
    5. Istenilen vakum kalite ulaşıldığında, zamanlayıcı dizisini başlatmak için serbest bırakma düğmesine basın.
    6. Bir bilgisayara, yüksek hızlı kameralar tarafından kaydedilen görüntü dizileri indirin.

    5. Veri Analizi

    1. Arka plan ve nesnelerin gri değeri arasında uygun bir eşik gri değerini seçtik. Siyah düşük gri değerleri ile (ikili değeri 1) beyaz ve piksel eşiğin üstünde gri değerine sahip pikselleri ayarlayarak bu eşiğe dayalı ikili bir görüntü oluşturun (ikili değer 0).
    2. Görüntülerin her bir kütle bir parçacık merkezinin konumunu belirler. Simetrik partiküller için kütle merkezini belirlemek için iyi bir yaklaşım yansıtılmış alanının merkezidir. Bu ikilileştirilmiş görüntüleri hesaplanır.
    3. Hesaplamak için kamera görüntülerden kütle nesnelerin merkezlerin göreli konumunu ve zaman bilgileri kullanınbağıl hız (Film 9 bakınız). Pozisyon eğrisinin yamaçları Film 9 el-sağ tarafında gösterilir.
      1. Bir ribaund çarpışma durumunda, bağıl hızları önce ve temas ettikten sonra belirler. Önce, çarpışma ve sonra hız oranı, yani iade katsayısını hesaplayın. Iadesi katsayısı karşı göreceli hızını çiziniz. Bu analizin bir örneği Şekil 4'te gösterilmektedir.

    Şekil 4,
    Çarpışmalar sıçrayan analizinin Şekil 4.. Örneği. Iade katsayısı, geri tepme hızı ve etki hızının oranı, yani, çarpışma hızının bir fonksiyonu olarak çizilir. Daireler 2 cm Diame küresel toz agrega için veri göstermekter 13 (bkz. Şekil 2), üçgenler, 5 cm çapında ve 5 cm yüksekliğinde plastik bir silindir toz agregatları karışmasını ifade etmektedir (bkz. Şekil 2) ve 0.3 ve 0.4 arasında, iki farklı ses dolgu faktörleri, sırasıyla 12. Veri artan darbe hızı ile restitüsyon katsayısı azalan bir eğilim göstermektedir. , bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için buraya tıklayınız.

    1. Bir veya her iki parçası partiküller, bunların ilgili öngörülen alanların ölçülmesi ve uygun şekillere sahip ile mümkün olduğunca büyük fragmanların gibi birçok boyutlarını belirler.
      1. Tek bir parçacık içinde parçalanma oluşursa, bu, genellikle kalan parçacık kütlesinin bir miktar aktarır. Kitle transfeksiyonunun ölçmek için uygun bir şekil ve gözenekliliği varsayıldığında, yığışım hacmini ölçerek transfer kütle miktarının belirlenmesir verimlilik.

Representative Results

(Şekiller 1-3) protokolü açıklanan iyi karakterize toz-agrega örnekleri kullanılarak, laboratuvar damla kulelerinden birinde görülen herhangi bir çarpışma protoplanetary diskleri benzer çarpışmalar sonuçları hakkında bilimsel değerli bilgiler verecektir. Biz şimdiye kadar sistematik olarak 2 cm çarpışma sonuçları arasındaki faktörleri dolgu hacmi ile (büyüklüğünde silindirik toz agrega m / sn 13 0,008 ile 2,02 arasında ve 5 cm hız aralığında (hacim 0.5 faktörleri dolgu ile) küresel toz agrega ölçekli araştırdık hız aralığı içinde 0.3 ve 0.5) m 0.004 ile 2 / sec 12. Biz aşağıda hızlar ~ için hakim sonuç olarak toz büyüklükler arasında zıplayan bulunan toz agrega iki tip için 0.4 m / sn (bir örnek için film 6). Şekil 4, bu zıplayan çarpışmalar iadesi katsayısı gösterilmiştir. Çevreler 2 ile deneyler göstermekcm büyüklüğünde küresel örnekler 13 ve üçgenler iki farklı ambalaj ile 5 cm boy toz silindirler arasında çarpışmalar sonuçları temsil 12 yoğunluklarından. Tek tek deneylerin iadesi katsayıları yaygın dağılım, ancak iade katsayısının ortalama değeri giderek artan çarpışma hızı azalır.

Hem toz agrega genellikle (bir örnek için Sinema 7) ~ 1 m / sn üzerindeki hızlar için etkisi üzerine parçalayın. ~ 0.4 ve ~ 1 m / sn arasında hızlar için, yalnızca bir iki çarpışan toz agregaların parçalanma oluşabilir. Bu durumda, non-parçalanan toz toplam kütle transferi ile 13 kütle arasında birkaç yüzde kazanır. Yukarıda belirtilen hız sınırları keskin değildir ama farklı rejimler arasındaki sınırların 2,11 yalan yere yaklaşık göstermektedir. Toz farklı boyutlarda agrega ve orta hızları arasındaki çarpışmalar, etkiler, genellikle t yol olmaz o iki toz agregaların daha büyük parçalanma. Tam tersine, daha büyük cisimlerinin daha küçük impactors (Film 8) kütlesinin bir bölümünün devri kendi kütlesini arttırmak.

İki toz agrega birbirini kapalı çıkma hangi durumlarda, için, öteleme kinetik enerji transferi çarpışmadan önce (öteleme kinetik enerji, dönme kinetik enerji ve diğer içine (toz agrega çarpışmadan önce döndürmek kalmamasıdır sakıncası) yutucu) enerji kanalları (toz agrega örneğin sıkıştırma) tespit edilebilir. Biz, kaybolan enerji ile nispi miktarı çok artan hız artar ve tozun daha düşük hacim doldurma faktörleri için daha yüksektir 12 agrega merkezi çarpışmalar için (ki burada dönme enerjisi ihmal edilebilir) bulundu. Bu davranış, moleküler dinamiği simülasyonları 12 tarafından örnek alınabilir.

ttps :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 "target =" _blank "> Film 1. parçacık-on-a-string ((arka yavaş hareket oynadı) Yüksek hızlı film üst) ve tuzak-kapak açma mekanizması (altta).

Movie 2 . double trap-kapak açma mekanizması (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. Her iki numune nedeniyle yayın sırasında son derece düşük rahatsızlık serbest düşüş sırasında sınırlı kalır 2 mm çapındaki Al 2 O 3 parçacıkların, kümeleri vardır.

Film 3 . makas tipi çift salma mekanizmasının (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film.

Film4. Yüksek hızlı çift kanat trap-kapak açma mekanizması film (geri yavaş oynadı).

Movie 5 . üst ve alt serbest bırakma mekanizması gibi serbest düşme kamera serbest geçiş zamanlayıcı elektronik Animasyon.

Film 6 . iki adet 5 cm büyüklüğünde toz-agrega silindir arasındaki sıçrayan çarpışma (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. İki toz agrega makas tipi çift bırakma mekanizması tarafından yayımlanan ve 0.09 m / sn hız ile çarpışır edilir.

Film 7 . iki adet 2 cm büyüklüğünde silindirik toz agrega (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film collidi7.4 m / sn 'lik bir hızda nispi ng. Her iki agrega tamamen fragmanı.

Film 8 ., 5 cm büyüklüğünde silindirik katı hedefi etkileyen bir 5 mm boyutlu toz agrega (geri yavaş oynadı) Yüksek hızlı film. 4.3 m / sn 'lik çarpma hızı küçük toz agrega parçalanma hızı üzerinde olduğu gibi, bu filmde açıkça görülebilir hedefe, ayrı ve transfer kütlesinin bir kısmını keser.

Film 9 bir yarı-otomatik parçacık izleme algoritması tarafından partikül yörüngelerinin. belirlenmesi. Burada, iki adet 2 cm büyüklüğünde küresel toz agregalar arasındaki çarpışma gösterilmiştir.

Discussion

Nedeniyle yüksek mekanik hassas, iki damla kuleleri başarısızlık oranı son derece düşüktür. Numune hazırlama boyut, şekil ve istenilen toz agrega emiciliği bağlı olarak, birkaç saate kadar sürebilir, çünkü bu, büyük önem taşımaktadır. Bu, çok yüksek bir gözeneklilik ile büyük toz agrega, ve böylece, kullanımı zor ve son derece kırılgan olduğu belirtilmelidir. Bu toz agrega açılan kuleye kalıp veya aktarımı kapalı çıkarılması sırasında zarar meydana gelebilir. Bu durumda, yeni bir numune hazırlanmalıdır. Bu nedenle, küçük bir damla kule güvenilir (ve tahmin edilebilir) çarpışma hızları, aşağı 0.01 m / sn '11,13 sağlar önemlidir. Şimdiye kadar elde düşük darbe hızı 0.004 m / sn idi. Bu küçük darbe hızının sadece bir mikrogravite ortamında ücretsiz parçacıkların ulaşılabilir. Laboratuvar damla kule böyle bir mikrogravite tesisin ucuz ve çok yönlü bir hayata geçirilmesidir.

Alternatidüşük darbe hızları (elektromanyetik ya da aerodinamik havalanma ile) ama genellikle çarpışmalar analizinde hesaba katılması gereken çarpışan parçacıklar arasında bir kuvvet sebep kaldırma teknikleri 14,15 yararlanmak elde edilmesi için yöntemler ve. Ayrıca, kaldırma genellikle istenmeyen ise, dönme içermeyen çarpışmalar izin vermez, ancak, diğer taraftan, daha da döner parçacıklar arasındaki çarpışmalar gerçekçi simülasyonlar izin verebilir, dönme hareketi 14 neden olur. Aerodinamik havalanma durumunda, çarpışma sırasında hava yastığı etkisi protoplanetary disklerde bu eşleşmiyor istenmeyen koşulları neden olabilir. O zaman sınırlaması gerekli ise damla kuleye bir alternatif olarak kabul edilmesi gerekir böylece Ancak, kaldırma sınırsız gözlem süresi ve tekrarlanabilir deneyler sağlar. Tüm çabalarımız bugüne kadar karasal-gezegen oluşumu r silikat bir temsilcisi olarak SiO 2 konsantre edilmişGenç Güneş Sistemleri egion. Protoplanetary disklerin kütlesinin çok su buz yoğunlaşma noktasının ötesinde konsantre edilir olarak, aynı zamanda um boyutlu H 2 O-buz danelerden oluşan agrega çarpışma davranışını incelemek için gereklidir. Biz şu anda bu amaç için bir cryo-vakum damla kule kuruyorsanız. Bu tür deneylerde simülasyon sıcaklıklar altındaki "kar hattı" su buharı olan iç bölge böler protoplanetary disklerde sözde "kar çizgi" (sıcaklığıdır ~ 150 K, olması gerektiğini belirtmek gerekir o) bir katı buz su olarak bulunan dış bölgelerinden aşaması. Bu mikron büyüklüğünde buz-su parçacıkların oluşumu mümkündür ve bir sonraki 1-2 yıl içinde çarpışma davranışı ilk sonuçlar için olumlu olduğu kadar büyüklükler bunların 16 üretilebildiğini göstermiştir.

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