JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

شحن الغبار وتعبئة يتجلى في ثلاث تجارب مع التعرض للبلازما الحرارية مع شعاع الإلكترونات، وشعاع الإلكترونات فقط، أو الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) الإشعاع فقط. هذه التجارب الحالية فهم متقدم للنقل الكهربائي الغبار ودورها في تشكيل أسطح لوحة الهيئات الكواكب.

Abstract

وقد تم الافتراض النقل الكهربائي الغبار لشرح عدد من الملاحظات للظواهر الكوكبيه غير عادية. وهنا، ثبت مؤخرا باستخدام ثلاثة وضعت تجارب في الغبار التي تتعرض جزيئات للبلازما الحرارية مع شعاع الإلكترونات، وشعاع الإلكترونات فقط، أو الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية) الإشعاع فقط. مصدر ضوء الأشعة فوق البنفسجية وقد عرض النطاق ترددي ضيق في الطول الموجي تركزت في 172 شمال البحر الأبيض المتوسط. شعاع الإلكترونات بالطاقة من 120 eV يتم إنشاؤها بواسطة خيوط ساخنة متحيزة سلبيا. عندما يتم تعبئة فراغ الغرفة بغاز الأرجون، يتم إنشاء بلازما حرارية بالإضافة إلى شعاع الإلكترون. ذرات الغبار العازلة لبضع عشرات من ميكرون في القطر المستخدمة في التجارب. وتسجل ذرات الغبار تكون lofted إلى ارتفاع يصل إلى بضعة سنتيمترات مع سرعة إطلاق ما يصل إلى 1 م/ثانية. هذه التجارب تثبت أن الانبعاثات صور و/أو الإلكترونات الثانوية من سطح متربة تغييرات إليه الشحن من ذرات الغبار. وفقا وضعت مؤخرا "مصححة نموذج المسؤول"، يمكن إعادة استيعاب الإلكترونات المنبعثة داخل ميكروكافيتيس بين ذرات الغبار المجاورة تحت السطح، تسبب تراكم الاتهامات السلبية المحسنة على الغبار المحيطة جسيمات. سلبا على اتهم قوات بغيضة بين هذه الجزيئات قد تكون كبيرة بما يكفي تعبئة ويقلع منها على السطح. هذه التجارب المتقدمة فهم الغبار الشحن والنقل على الأسطح المغبرة، وأرست أساسا لإجراء تحقيقات في المستقبل لدورها في تطور الهيئات الكواكب لوحة السطحية.

Introduction

لوحة الهيئات الكواكب، مثل القمر والكويكبات، مغطاة بذرات الغبار الدقيقة تسمى الحتاتي. هذه الهيئات لوحة، خلافا للأرض، يتعرض مباشرة لبلازما الرياح الشمسية، والطاقة الشمسية البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية)، مما تسبب الغبار الحتاتي إلى توجيه الاتهام. واتهم هذه ذرات الغبار قد ولذلك سيتم تعبئة، lofted، نقلها، أو حتى طرد وفقدت من على سطح الأرض بسبب القوى الكهربائي. اقترح الأول دليل على هذه العملية الالكتروستاتيكي هو ما يسمى "وهج الأفق القمري"، وتوهج متميزة فوق الأفق الغربي لاحظ بعد فترة وجيزة من غروب الشمس بالمركبة الفضائية المساحين 5 و 6 و 7 قبل خمسة عقود (الشكل 1a)1، 2،3. وقد تم الافتراض أن توهج هذا سببه أشعة الشمس المتناثرة قبالة من ذرات الغبار lofted الكهربية الاستاتية (دائرة نصف قطرها 5 ميكرومترات) إلى ارتفاع < 1 متر فوق السطح القرب المنهي القمرية1،2،3. كما اقترح الكهربية الاستاتية المفرج عنهم الغبار الناعم تكون مسؤولة عن لافتات مثل رأي تصل إلى ارتفاع عال وأفادت بأن رواد فضاء أبولو4،5.

منذ ذلك الحين هذه الملاحظات أبولو، عددا من الملاحظات على هيئات لوحة أخرى كانت أيضا مرتبط إلى آليات تعبئة الغبار الالكتروستاتيكي أو lofting، مثل أشعة شعاعي في زحل حلقات76،، 8، وأحواض الغبار على الكويكب إيروس (الشكل 1b)9 والمذنب P 6710، وأشارت إلى الأسطح المسامية من الأطياف الرئيسية-حزام الكويكبات11، سطح أملس غير عادي من زحل الجليدية القمر أطلس12، الحتاتي في الدوامات القمرية13. وبالإضافة إلى ذلك، قد يكون سبب تدهور ريتروريفليكتورس ليزر على سطح القمر أيضا بتراكم الغبار lofted الكهربية الاستاتية14.

الدراسات المختبرية التي دفعت إلى حد كبير بهذه الملاحظات مساحة غير عادية من أجل فهم العمليات الفيزيائية من الغبار الشحن والنقل. وقد لوحظ حشد الغبار في مختلف ظروف البلازما، التي هي تسليط جسيمات الغبار قبالة من زجاج مجال سطحية15،16، مرفوع في البلازما مانعات17، وسجلت للتحرك في كل إجراء والعزل الأسطح18،19،،من2021. ومع ذلك، كيفية اكتساب جزيئات الغبار رسوم كبيرة بما يكفي تكون lofted أو تعبئة بقيت غير مفهومة. قياسات التهم على جزيئات غبار الفردية على سطح سلاسة22 ومتوسط كثافة التهمة على سطح مغبر23 منغمسين في البلازما تظهر أن التهم الموجهة إليه قليلة جداً لذرات الغبار lofted أو تعبئة.

في24،النظريات السابقة16،25، تقاضي فقط اعتبر تحدث في الطبقة السطحية العليا التي يتعرض مباشرة للأشعة فوق البنفسجية أو البلازما. غالباً ما تعتبر اتهامات توزع موحدا على كامل سطح المغبرة، أي.، كل الجسيمات الغبار الفردية يكتسب نفس القدر من التهمة، الموصوفة بما يسمى '' المشتركة نموذج تهمة ''16. ومع ذلك، التهم محسوبة من هذا الطراز أصغر بكثير من قوة الجاذبية وحدها. نظرية تقلب تهمة أن حسابات للعملية العشوائية للتدفقات من الإلكترونات والايونات على سطح16،24 يظهر تعزيز الزمانية في القوة الكهربائية، ولكنها لا تزال صغيرة بالمقارنة قوة الجاذبية.

في هذه الورقة، يتجلى lofting الغبار الالكتروستاتيكي وتعبئة استخدام ثلاثة مؤخرا نمواً26من التجارب، التي هي هامة لفهم النقل الغبار على الحتاتي لوحة الهيئات الكواكب. وتجري هذه التجارب في ظروف البلازما الحرارية مع شعاع الإلكترونات، وشعاع الإلكترونات فقط أو إشعاع الأشعة فوق البنفسجية فقط. هذه التجارب تثبت صحة وضعت مؤخرا "نموذج رسوم مصححة"26،27، وفي ميكروكافيتيس التي تشكلت بين المجاورة ذرات الغبار تحت السطح يمكن إعادة استيعاب الصورة المنبعثة و/أو سلبية الإلكترونات الثانوية، توليد كبير التهم على أسطح جزيئات غبار المجاورة. قوات بغيضة بين هذه الاتهامات السلبية يمكن أن تصبح كبيرة بما يكفي تعبئة أو يقلع ذرات الغبار.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1-فراغ الغرفة الإعداد

  1. ضع ورقة مطاط عازلة (0.2 سم وقطرها 5 سم) مع وجود ثقب مركزي 1.9 سم في القطر على صفيحة عازلة (2 سم وقطرها 20 سم) (الشكل 2 أ، ب). تحميل العازلة، على شكل غير منتظم من ذرات الغبار (بين 10 و 50 ميكرومتر في القطر) في الحفرة.
  2. ضع اللوحة العازلة على لوحة معدنية دائمة في وسط فراغ غرفة. كهربائياً عزل لوحة معدنية من الدائرة باستخدام السيراميك المواجهات.
  3. قم بتشغيل مضخات التفريغ (مضخة التوربينية مدعومة بمضخة ميكانيكية التخشين) للوصول إلى ضغط قاعدة ~ 10-6 عربة. تبين التجارب التي تجري في أسطواني فراغ غرفة الفولاذ المقاوم للصدأ، 50 سم وقطرها 28 سم (الشكل 2 (ج)).
  4. تسجيل حركة الغبار و lofting مع كاميرا فيديو بسرعة 30 لقطة/ثانية (fps) عادية أو كاميرا عالية السرعة (> 2000 إطارا في الثانية). استخدم على ضوء الصمام مع الإضاءة كحد أقصى يعادل > إينكانديسسي 500W الضوء لإنتاج إضاءة كافية على ذرات الغبار لتسجيل الفيديو عالية الجودة.
    ملاحظة: استخدام المطاط بسبب لونه الداكن تقلل انعكاس الضوء إلى الكاميرا. ينبغي أن تستخدم ذرات الغبار الفاتحة لتصوير أفضل بسبب تباين الألوان على سطح المطاط الظلام. يتم استخدام لوحة عازلة سميكة للقضاء على تأثير الحقل الكهربائي بين سطح اللوحة العازلة ولوحة معدنية على الغبار الشحن والتعبئة. في هذا العرض التوضيحي، استخدمت اسم المريخ (JSC-المريخ-1، غربلة للقطر يعني من 38-48 ميكرومتر، وكثافة كتلة من 1.9 غرام/سم-3 وتكوين الرئيسية SiO2 28)، الذي يشبه الغبار الحتاتي العامة من الهيئات لوحة في الداخلية النظام الشمسي. تم اختبار مختلف أنواع أخرى من عزل جزيئات الغبار أيضا، مثل إطلاق قمري (JSC-1)، وإطلاق قمري المرتفعات (LHT)، وغبار السليكا النقي.

2-التعرض للبلازما الحرارية مع شعاع الإلكترونات

  1. نعلق خيوط تنغستن ثورياتيد (0.1 مم و ~ طولها 3 سم) فيدثرو كهربائي وتثبيته على رأس الدائرة. ثم مضخة الدائرة وصولاً إلى الضغط الأساسي.
  2. ملء فراغ الغرفة بغاز الأرجون للضغوط ~ متور 0.5.
  3. بدوره على إمدادات الطاقة وتعيين الجهد التحيز-120 الخامس للشعيرة.
  4. زيادة الجهد تدفئة للتدفئة الحالية ~ 2A حتى تصل الانبعاثات الحالية إلى قيمة المطلوبة (ماجستير قليلة). وسوف تنبعث الإلكترونات النشطة مع طاقة 120 eV من الشعيرة.
    ملاحظة: هذه الإلكترونات الأولية مثل شعاع تأثير ذرات الأرجون محايدة، مما يسبب لهم لتكون المتأين وخلق بلازما مع درجة حرارة الإلكترونات حوالي 2 eV. جزء كبير من الإلكترونات الشعاع الابتدائي تصل مباشرة إلى سطح المتربة دون التصادم مع ذرات محايدة. ولذلك تتعرض ذرات الغبار لكلا الحرارية البلازما وشعاع الإلكترونات.
  5. لإظهار دور نشطة شعاع الإلكترونات في نقل الغبار، استخدم عملية بديلة لخلق بلازما حرارية أعلاه ذرات الغبار.
    1. قم بتشغيل خيوط بديلة في الجزء السفلي من الدائرة مع الجهد التحيز-40 الخامس والانبعاثات الحالية تصل إلى 400 mA (الشكل 2a). سيتم إيقاف الإلكترونات الأولية المنبعثة من الشعيرة بصفيحة معدنية أسفل اللوحة إهانة التي تستند إليها ذرات الغبار (الشكل 2 أ، ب).
    2. تختلف الانبعاثات الحالية لتغيير الحقل الكهربائي فوق السطح. ينشئ الحالي أعلى أعلى كثافة البلازما، وغمد أرق، وبالتالي أفسح المجال الكهربائي.

3-التعرض لأشعة الإلكترونات فقط

  1. إعداد التجربة كما هو موضح في التجربة المذكورة أعلاه باستخدام خيوط الأعلى.
  2. بدوره على خيوط الأعلى تحت ضغط القاعدة 10-6 ميلليمتر زئبق (أي.، أي غاز الأرجون بنك الاحتياطي الفيدرالي في الدائرة). يتم إنشاء لا البلازما بينما فقط 120 eV شعاع الإلكترونات المنبعثة من قصف الشعيرة ذرات الغبار.
  3. وتعمل الشعيرة في وضعين مختلفين.
    1. تعيين الجهد التحيز إلى-120 الخامس، ثم زيادة الجهد تدفئة حتى تصل الانبعاثات الحالية إلى اماه قليلة.
    2. زيادة الجهد تدفئة للوصول إلى تدفئة المطلوبة الحالي ~ 2 A، ثم قم بزيادة الجهد التحيز من 0 الخامس تدريجيا إلى-120 الخامس تنبعث الإلكترونات مع تيار انبعاثات من mA قليلة.

4-التعرض للأشعة فوق البنفسجية فقط

  1. استبدال الشعيرة أعلى مع مصباح الأشعة فوق البنفسجية (الشكل 2b) ومضخة أسفل قاعة لضغط قاعدة. استخدام مصباح زينون اوسرام الهيجان، التي تنبعث الأشعة فوق البنفسجية الخفيفة من الطول الموجي نانومتر 172. طاقة فوتون المطابق هو 7.2 eV، أكبر من مهمة العمل على السطح الغبار (~ 5.5 eV) كي تنبعث منها فوتوليكترونس.
    ملاحظة: من المتوقع أقصر طول موجه الأشعة فوق البنفسجية الذي يشع أعلى الطاقة الفوتونات لإنشاء رسوم أكثر على ذرات الغبار وذلك تعبئة أكثر، استناداً إلى تهمة مصححة النموذجي26،27.
  2. قم بتشغيل مصباح الأشعة فوق البنفسجية لتشع جزيئات الغبار. في التظاهرة، الإشعاع الفوتوني 40 ميغاواط/سم-2 مصدر الأشعة فوق البنفسجية و ~ 16 ميغاواط/سم-2 على سطح مغبر.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

النتائج

أجريت مجموعة من التجارب باستخدام خيوط أعلى أو أسفل. مع الإعداد أعلى الشعيرة، قفز من ذرات الغبار تم تسجيلها (الشكل 3a). في المقابل، ظلت ذرات الغبار في الراحة عند استخدام خيوط السفلي. وقد تم قياس أن الحقل الكهربائي العمودي على السطح نفسه (16 V/سم تقريبا) في كل ال?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

لعقود من الزمان، ظلت مشكلة النقل الكهربائي الغبار على الحتاتي الهيئات لوحة سؤال مفتوح كيف ذرات الغبار الحتاتي الحصول على مصاريف كبيرة بما فيه الكفاية لتصبح تعبئة أو lofted. 26،الدراسات المختبرية الأخيرة27 أساسية متقدمة فهم هذه المشكلة.

هنا، أنه?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgements

معهد ناسا/سيرفي للبلازما النمذجة والأجواء و "الغبار الكوني" (الأثر) وبرنامج عمل أنظمة الطاقة الشمسية ناسا كان تأييد هذا العمل (منح رقم: NNX16AO81G).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Vacuum chamberAnyNA
Vacuum electrode feedthroughLeskerEFT0113053
Tungsten filament (0.1 mm thick)GoodfellowW055250Thoriated
Power supply #1 (0-8V, 3A)AgilentE3610AOr equivalent
Power supply #2 (0-140V, 0.5A)AgilentE3612AOr equivalent
UV lampOsramXERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HVOr equivalent
Dust sampleAnyMars or Lunar simulants or other typesIrregularly-shaped, sieved, insulating
Insulating plateAnyNAThickness > 1 cm
Rubber sheetAnyNAThickness > 1 mm
Metal plateAnyNA
Ceramic standsMcMaster94335A1301/2" diameter
Video camera (consumer)PanasonicHC-VX870Or equivalent
Video camera (high-speed)PhantomV2512> 1000 fps
LED lampAnyNA> 500W Tungsten Equivalent

References

  1. Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , Springer. New York. 545-556 (1973).
  2. Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
  3. Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006(2007).
  4. McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991(1974).
  5. Zook, H. A., McCoy, J. E. Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere. Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).
  6. Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn - Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
  7. Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system - the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
  8. Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn's spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
  9. Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. The nature of ponded deposits on Eros. Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).
  10. Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17(2015).
  11. Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
  12. Hirata, N., Miyamoto, H. Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas. Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).
  13. Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls. Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).
  14. Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
  15. Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. Observation of dust shedding from material bodies in a plasma. J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).
  16. Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504(2006).
  17. Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath. J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408(2002).
  18. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow. J. Geophys. Res. 114, A05103(2009).
  19. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam. J. Geophys. Res. 115, A11102(2010).
  20. Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
  21. Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting. Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).
  22. Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions. Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104(2007).
  23. Ding, N., Wang, J., Polansky, J. Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface. IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).
  24. Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501(2011).
  25. Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703(2016).
  26. Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. Dust charging and transport on airless planetary bodies. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).
  27. Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -W., Grün, E., Horányi, M. The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces. Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).
  28. Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , Houston, Texas. Abstract # 1690 (1998).
  29. Martin, N. L. S., von Engel, A. The reflection of slow electrons from a soot-covered surface. J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).
  30. Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith. Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).
  31. Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment. New J. Phys. 12, 033036(2010).
  32. Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust. Astrophys. J. 761 (2), 108(2012).
  33. Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77(2013).
  34. Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. Experimental study of a photoelectron sheath. Phys. Plasmas. 19 (4), 043502(2012).
  35. Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
  36. Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -W., Horányi, M. Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

134

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved