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摘要

在三实验中, 用电子束电子、电子束或紫外线 (UV) 辐射照射热等离子体, 证明了粉尘的充电和动员。这些实验对静电粉尘的传输及其在无气行星体表面成形中的作用提出了先进的认识。

摘要

静电尘埃的传输已经被推测来解释一些异常行星现象的观测。在这里, 它被证明使用三最近开发的实验中, 尘埃粒子暴露在热等离子体与电子束电子, 只电子束, 或紫外线 (紫外线) 辐射。紫外线光源的波长以 172 nm 为中心, 带宽狭窄。光束电子与能量的 120 eV 是创建一个负偏热灯丝。当真空室充满氩气时, 除了电子束外, 还会产生热等离子体。实验中使用了直径几微米的绝缘粉尘微粒。尘埃粒子被记录为放样的高度, 最高可达几厘米, 发射速度可达1米/秒。这些实验表明, 灰尘表面的照片和/或二次电子发射改变了尘埃粒子的充电机制。根据最近开发的 "修补电荷模型", 发射的电子可以在微腔内的相邻尘埃粒子之间重新吸收, 从而导致周围尘埃的增强负电荷堆积。粒子.这些负电荷粒子之间的排斥力可能足够大, 可以动员并将它们从表面上提起。这些实验对尘土飞扬的表面进行了粉尘充放电和运输的深入认识, 为今后研究其在无气行星体表面演化中的作用打下了基础。

引言

无空气的行星体, 如月球和小行星, 被称为壤的细小尘埃粒子所覆盖。这些空气不通风的物体, 不像地球, 直接暴露于太阳风等离子体和太阳紫外线 (UV) 辐射, 导致壤尘埃被充电。因此, 这些带电的尘埃粒子可能会被动员, 放样, 运输, 甚至从表面上被逐出和丢失由于静电力量。这一静电过程的第一个建议证据是所谓的 "月球地平线辉光", 在日落后不久观察到的西部地平线上的一个明显的辉光, 由测量员 5, 6, 7 航天器五年前 (图 1a)1, 2,3。据推测, 这一辉光是由从静电放样尘埃粒子 (5 微米半径) 到高度 < 1 米以上的距离月球终结器1,2,3。静电释放的细粉尘也被建议负责的射线状的彩带达到高海拔的阿波罗宇航员4,5。

自从这些阿波罗观测, 许多对其他无气物体的观测也与静电尘埃的动员或放样机制联系在一起, 例如土星环中的径向辐条6,7,8, 在小行星爱神 (图 1b)9和彗星 67P10上的尘埃池, 从主带小行星谱11的多孔表面, 土星冰冷的月球地图集12的异常平滑表面, 以及壤在月球漩涡13。此外, 激光反光境在月球表面的退化也可能是由静电放样尘埃的积累引起的 14.

实验室研究的主要动机是这些不寻常的空间观测, 以了解粉尘充电和运输的物理过程。在各种等离子体条件下观察到粉尘的动员, 其中尘埃粒子从玻璃球表面脱落15,16, 在等离子鞘中悬浮17, 并记录在导电和绝缘上移动。表面18,19,20,21。然而, 尘埃粒子如何获得足够大的电荷来放样或动员仍然是很不清楚的。对光滑表面上单个尘埃粒子的电荷的测量22和在尘埃表面上的平均电荷密度23浸入等离子显示, 这些电荷太小, 不能放样或动员尘埃粒子。

在前面的理论16,24,25中, 充电只被认为发生在直接暴露于紫外线或等离子的顶面层上。电荷通常被认为是均匀分布在整个尘土飞扬的表面上, i. e., 每个单独的尘埃粒子获得相同的电荷量, 由所谓的 "共享电荷模型"16描述。然而, 从这个模型计算的电荷比单独的引力要小得多。电荷涨落理论, 将电子和离子通量的随机过程解释为表面的16,24显示了静电力的时间增强, 但相对于引力。

本文利用三新近研制的实验26对静电粉尘的放样和动员进行了论证, 对了解无气行星体壤的粉尘输送具有重要意义。这些实验是在热等离子体的条件下, 电子束电子, 仅电子束或紫外线辐射。这些实验证明了最近开发的 "修补电荷模型"26,27的有效性, 其中微腔在表面下面的相邻尘埃粒子之间形成, 可以重新吸收发出的照片和/或二次电子, 在相邻的尘埃粒子的表面产生大的负电荷。这些负电荷之间的排斥力可以变得足够大, 以动员或解除尘埃粒子。

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研究方案

1. 真空室设置

  1. 将绝缘橡胶板 (直径为0.2 厘米, 5 厘米) 与一个中心孔1.9 厘米直径在绝缘板上 (2 厘米厚和20厘米直径) (图 2a, b)。负载绝缘, 不规则形状的尘埃粒子 (直径在10和50微米之间) 在洞中。
  2. 将绝缘板放置在真空室中间的金属板上。用陶瓷支架将金属板从腔室中电隔离。
  3. 打开真空泵 (由机械粗加工泵支持的涡轮泵), 以达到 10-6乇的基本压力。演示实验是在圆柱形不锈钢真空室, 直径50厘米和28厘米高 (图 2c) 中进行的。
  4. 用摄像机以30帧/秒 (fps) 或高速 (> 2000 fps) 相机的速度记录尘埃运动和放样。使用 LED 灯的最大照明相当于 > 500W incandesce 光, 以产生足够的照明粉尘颗粒, 以高质量的视频记录。
    注: 使用橡胶是因为它的深色, 最大限度地减少光反射到相机。浅色粉尘颗粒应用于更好的拍摄, 因为颜色对比的黑色橡胶表面。该厚绝缘板用于消除绝缘板表面与金属板之间的电场对粉尘充电和动员的影响。在这个示范, 火星模拟 (JSC-Mars-1, 筛到平均直径38-48 微米, 质量密度为1.9 克/厘米-3和主要组成的, 即2 28) 使用, 这类似于一般的壤粉尘的无气体在内部太阳系。还测试了各种其他类型的绝缘尘埃粒子, 如月球模拟 (JSC-1)、月球模拟高地 (LHT) 和纯二氧化硅粉尘。

2. 与电子束电子接触热等离子体

  1. 将钍钨长丝 (0.1 毫米厚和3厘米长) 连接至电极馈并安装在燃烧室的顶部。然后将腔体泵入基压。
  2. 用氩气将真空室填充到 0.5 mTorr 的压力。
  3. 打开电源并将偏置电压设置为灯丝的-120 V。
  4. 增加加热电流的发热电压为 2A, 直到发射电流达到所需值 (少量 mA)。能量为 120 eV 的电子将从灯丝中发出。
    注意: 这些光束状的初级电子会影响中性氩原子, 导致它们被电离, 并产生一个电子温度约 2 eV 的等离子体。一大小部分的主光束电子直接到达尘土飞扬的表面, 而不会与中性原子发生碰撞。尘埃粒子因此暴露在热等离子体和电子束电子。
  5. 为了显示高能束电子在尘埃传输中的作用, 在尘埃粒子上使用一种可替代的方法来创建热等离子体。
    1. 打开房间底部的备用灯丝, 其偏置电压为-40 伏, 排放电流高达400毫安 (图 2a)。从灯丝发出的主要电子将被金属板阻挡在灰尘颗粒休息的侮辱板上 (图 2a, b)。
    2. 变化的发射电流, 以改变表面上的电场。更高的电流产生更高的等离子密度, 更薄的鞘, 因而更大的电场。

3. 只接触电子束电子

  1. 在上面的实验中, 用上面的灯丝来设置实验。
  2. 在基压 10-6乇 (i. e) 下打开顶丝, 在会议厅中没有氩气。没有等离子被创造, 而只有 120 eV 光束电子发出的灯丝轰击尘埃粒子。
  3. 用两种不同的模式操作灯丝。
    1. 将偏置电压设置为-120 伏, 然后增加加热电压直至发射电流达到数毫安。
    2. 增加加热电压达到所需的加热电流 ~ 2 a, 然后将偏压从0伏逐渐增加到-120 伏, 以少量 mA 的发射电流发射电子。

4. 只接触紫外线辐射

  1. 用 UV 灯 (图 2b) 替换顶部灯丝, 并将该腔体向下泵入底座压力。使用氙准分子欧司朗灯, 它发出 172 nm 波长的紫外线光。相应的光子能是 7.2 eV, 大于灰尘表面的工作功能 (~ 5.5 eV) 为了发射光电子。
    注: 辐射更高能量光子的波长较短的紫外线, 预计会在尘埃粒子上产生更多的电荷, 因此可以根据修补后的电荷模型26,27来增加更多的动员。
  2. 打开紫外线灯辐射尘埃粒子。在演示中, 光子辐照度是40兆瓦/厘米-2在紫外线源和 ~ 16 兆瓦/cm-2在尘土飞扬的表面。

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结果

用顶部或底部的细丝进行了一系列实验。使用顶部灯丝设置, 记录了尘埃粒子的跳跃 (图 3a)。相比之下, 当使用底部灯丝时, 尘埃颗粒仍保持静止。测量了在协议步骤 226中描述的条件下, 在两个实验中, 表面的垂直电场近似相同 (16 伏/厘米)。这些结果表明, 由于鞘电场的静电力不够大, 无法调动粉尘颗粒。这两个实验的唯一区别是存在...

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讨论

数十年来, 静电尘埃在无气物体壤上的传输问题仍然是一个悬而未决的问题, 如何壤尘埃粒子获得足够大的电荷来动员或放样。最近的实验室研究26,27从根本上提高了对这个问题的理解。

在这里, 它被证明三最近开发的实验显示粉尘充电和动员在热等离子体与电子束电子, 仅电子束或紫外线辐射。这些实验的关键元素是创造二次电子?...

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披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作得到了 nasa/SSERVI 建模等离子体、大气层和宇宙尘埃 (撞击) 和 nasa 太阳能系统工作计划 (赠款号: NNX16AO81G) 的支持。

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材料

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

参考文献

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