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  • Résumé
  • Résumé
  • Introduction
  • Protocole
  • Résultats
  • Discussion
  • Déclarations de divulgation
  • Remerciements
  • matériels
  • Références
  • Réimpressions et Autorisations

Résumé

Charge de poussière et de mobilisation est démontrée dans les trois expériences avec exposition à plasma thermique avec faisceau électrons, faisceau électrons uniquement ou seulement le rayonnement ultraviolet (UV). Ces expériences présentent la compréhension avancée du transport de poussière électrostatique et son rôle dans le façonnement de la surface des corps planétaires airless.

Résumé

Transport de poussière électrostatique a émis l’hypothèse pour expliquer un certain nombre d’observations de phénomènes planétaires inhabituelles. Ici, il est démontré en utilisant trois récemment mis au point des expériences dans les poussières, particules sont exposés à plasma thermique avec faisceau électrons, faisceau électrons uniquement ou seulement le rayonnement ultraviolet (UV). La source de lumière UV a une largeur de bande étroite de longueur d’onde centrée à 172 nm. Les électrons du faisceau avec l’énergie de 120 eV sont créés avec un filament chaud biaisé négativement. Quand la chambre à vide est remplie de gaz argon, un plasma thermique est créé en plus le faisceau d’électrons. Les particules de poussière isolante de quelques dizaines de microns de diamètre sont utilisés dans les expériences. Les particules de poussière sont enregistrés pour être lancéee jusqu'à une hauteur jusqu'à quelques centimètres avec une vitesse de lancement jusqu'à 1 m/s. Ces expériences démontrent que les émissions photo et/ou des électrons secondaires d’une surface poussiéreuse changement le mécanisme de chargement des particules de poussière. Selon la récemment mis au point « patché modèle de charge », les électrons émis peuvent être re-absorbées à l’intérieur des microcavités entre voisins des particules de poussière sous la surface, provoquant l’accumulation de charges négatives améliorées sur la poussière environnante particules. Les forces de répulsion entre ces négativement chargée de particules peuvent être assez grandes pour mobiliser et les décoller de la surface. Ces expériences présentent la compréhension avancée de la poussière de charge et le transport sur les surfaces poussiéreuses et jeté les bases pour de futures études de son rôle dans l’évolution de surface des corps planétaires airless.

Introduction

Airless corps planétaires, comme la lune et les astéroïdes, sont recouvertes de fines particules de poussière appelées régolithe. Ces organes airless, contrairement à la terre, sont directement exposés au vent solaire plasmatique et solaires ultraviolets (UV), causant la poussière de régolithe qui seront pratiqués. Ces chargées de particules de poussière peuvent donc être mobilisés, lobées, transportés, voire éjectés et perdus de la surface en raison des forces électrostatiques. Le premier a proposé des preuves de ce procédé électrostatique a été ce qu’on appelle « lueur lunaire horizon », une lueur distincte au-dessus de l’horizon Ouest observé peu après le coucher du soleil, par sonde Surveyor 5, 6 et 7, il y a cinq ans (Figure 1 a)1, 2,3. Il a émis l’hypothèse que cette lueur a été causée par le rayonnement solaire dispersé hors de particules de poussière électrostatiquement lobée (rayon de 5 μm) jusqu'à une hauteur de 1 m < au-dessus de la surface près du terminateur lunaire1,2,3. Poussières fines électrostatiquement libéré a également été suggéré à l’origine pour les serpentins de ray-comme pour atteindre une altitude élevée, rapportée par les astronautes de Apollo4,5.

Depuis ces observations Apollo, un certain nombre d’observations sur les autres plans airless ont été également liés aux mécanismes de mobilisation de poussière électrostatique ou traçage, tels que les rayons radiaux dans de la Saturne anneaux6,7, 8, les étangs de la poussière sur l’astéroïde Eros (Figure 1 b)9 et comète 67P10, les surfaces poreuses indiquent de la ceinture principale spectres astéroïdes11, la surface exceptionnellement lisse de Saturne icy moon Atlas12et le régolithe les tourbillons lunaire13. En outre, la dégradation de la rétroréflecteurs laser sur la surface lunaire peut être causée par l’accumulation de poussière électrostatiquement lobée14.

Des études en laboratoire ont été en grande partie motivées par ces observations inhabituelles de l’espace afin de comprendre les processus physiques de poussière de charge et de transport. Mobilisation de la poussière a été observée dans diverses conditions de plasma, dans lequel les particules de poussière sont jeter hors d’un verre sphère surface15,16, fait de la lévitation à plasma gaines17et enregistré pour déplacer sur conduite et isolants surfaces18,19,20,21. Cependant, comment les particules de poussière gagner assez grands frais à être lobée ou mobilisés demeure mal comprise. Les mesures des accusations sur les particules de poussière individuels sur une surface lisse22 et la densité moyenne de la charge sur une surface poussiéreuse23 immergé dans les plasmas montrent que les frais sont beaucoup trop petits pour être lobée ou mobilisés, les particules de poussière.

Dans les théories antérieures16,24,25, la charge a été seulement considéré se produisent sur la couche de surface qui est directement exposée aux UV ou plasma. Les frais sont souvent considérés comme uniformément répartie sur toute la surface poussiéreuse, i.e., chaque particule de poussière individuels acquiert la même dose de charge, décrit par le soi-disant « partagé le modèle de charge »16. Toutefois, les frais calculés à partir de ce modèle sont beaucoup plus petits que la force gravitationnelle seule. Une théorie de fluctuation de charge qui prend en compte le processus stochastique des flux d’électrons et d’ions à la surface16,24 montre une amélioration temporelle dans la force électrostatique, mais il demeure faible par rapport à la force de gravitation.

Dans cet article, traçage de poussière électrostatique et la mobilisation est démontrée en utilisant trois récemment mis au point des expériences26, qui sont importantes pour comprendre le transport de la poussière sur le régolithe des corps planétaires airless. Ces expériences sont réalisées dans les conditions de plasma thermique avec faisceau électrons, faisceau électrons seulement ou rayonnement UV seulement. Ces expériences démontrent la validité de la développée récemment « modèle de charge patché »26,27, dans laquelle microcavités forment entre voisins sous la surface des particules de poussière peuvent réabsorber la photo émise et/ou les électrons secondaires, générant un grand négatif frais sur les surfaces les voisins des particules de poussière. Les forces de répulsion entre ces charges négatives peuvent devenir assez grandes pour mobiliser ou décoller les particules de poussière.

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Protocole

1. Configuration vacuum chamber

  1. Placer une feuille isolante en caoutchouc (0,2 cm d’épaisseur, 5 cm de diamètre) avec un trou central de 1,9 cm de diamètre sur une plaque isolante (2 cm d’épaisseur et 20 cm de diamètre) (Figure 2 a, b). Charger les particules de poussière isolante, de forme irrégulière (entre 10 et 50 μm de diamètre) dans le trou.
  2. Placer la plaque isolante sur un permanent de la plaque de métal au milieu d’une chambre à vide. Isoler électriquement la plaque métallique de la chambre à l’aide d’entretoises en céramique.
  3. Mettre en marche les pompes à vide (une pompe turbo soutenue par une pompe mécanique d’ébauche) pour atteindre la base pression de ~ 10-6 Torr. Les expériences mettant en évidence sont effectuées dans une chambre cylindrique en acier inoxydable à vide, 50 cm de diamètre et de 28 cm de hauteur (Figure 2c).
  4. Enregistrer le mouvement de la poussière et le lissage avec une caméra vidéo à une vitesse régulière de 30 images/s (fps) ou une caméra à grande vitesse (> 2000 fps). Utilisez une lumière LED avec l’éclairement maximal équivalant à > 500W Consumer lumière pour produire suffisamment d’éclairage sur les particules de poussière pour l’enregistrement vidéo de bonne qualité.
    Remarque : En utilisant le caoutchouc est en raison de sa couleur sombre qui minimise la réflexion de la lumière à la caméra. Les particules de poussière de couleur claire doivent être utilisés pour mieux photographier en raison du contraste de la couleur à la surface en caoutchouc noir. La plaque isolante épaisse est utilisée pour éliminer l’effet du champ électrique entre la surface de la plaque isolante et plaque de métal sur la charge de poussière et de la mobilisation. Dans cette démonstration, simulant de Mars (JSC-Mars-1, tamisé pour le diamètre moyen de 38 à 48 μm, une masse volumique de 1,9 g/cm-3 et la grande composition de SiO2 28) ont été utilisées, qui ressemble à la poussière de régolithe générales des organes airless à l’intérieur système solaire. Divers autres types d’isolants de particules de poussière ont aussi été testées, comme lunaire simulant (JSC-1), simulant lunaire highland (LHT) et la poussière de silice pure.

2. exposition au plasma thermique avec des électrons du faisceau

  1. Attacher un filament de tungstène thorié (0,1 mm d’épaisseur et ~ 3 cm de long) pour une traversée de l’électrode et l’installer sur le dessus de la chambre. Pomper la chambre jusqu'à la pression de base.
  2. Remplir la chambre à vide avec gaz argon à la pression de ~ 0,5 mTorr.
  3. Tourner sur les blocs d’alimentation et régler la tension de polarisation -120 V pour le filament.
  4. Augmenter la tension de chauffage pour le chauffage actuel ~ 2 a jusqu'à ce que l’émission actuelle atteigne une valeur désirée (quelques mA). Des électrons énergétiques avec l’énergie de 120 eV seront émis du filament.
    Remarque : Ces électrons primaires du faisceau comme impact atomes d’argon neutre, obligeant à être ionisé et la création d’un plasma avec une température électronique autour de 2 eV. Une grande fraction des électrons faisceau primaire atteint directement la surface poussiéreuse sans collisions avec des atomes neutres. Les particules de poussière sont donc exposés à deux électrons thermiques plasma et faisceau.
  5. Pour montrer le rôle des électrons du faisceau énergétique dans le transport de la poussière, utilisez une alternative opération de création d’un plasma thermique au-dessus de particules de poussière.
    1. Allumez un autre filament dans le fond de la chambre avec la tension de polarisation -40 V et l’émission actuelle jusqu'à 400 mA (Figure 2 a). Les électrons primaires émis par le filament seront arrêtés par la plaque de métal sous la plaque insultante sur lequel les particules de poussière de repos (Figure 2 a, b).
    2. Varier les émissions actuelles de modifier le champ électrique au-dessus de la surface. Courant plus élevé crée la plus grande densité de plasma, gaine plus mince et donc plus de champ électrique.

3. exposition à faisceau d’électrons seulement

  1. L’expérience d’installation comme décrit dans l’expérience ci-dessus par le filament albums.
  2. Allumez le filament albums sous la pression de base 10-6 Torr (i.e., aucun gaz argon ne nourris dans la chambre). Aucun plasma n’est créée alors que seuls les électrons de faisceau 120 eV émise par la bombarde à incandescence les particules de poussière.
  3. Exploiter le filament dans deux modes différents.
    1. Réglez la tension de polarisation -120 V, puis augmentez la tension de chauffage jusqu'à ce que l’émission actuelle atteint quelques mA.
    2. Augmenter la tension de chauffage pour atteindre un chauffage désiré actuel ~ 2 A, puis augmentez la tension de polarisation de 0 V à -120 V pour émettre des électrons avec un courant d’émission de quelques mA progressivement.

4. l’exposition au rayonnement UV seulement

  1. Remplacer le filament albums avec une lampe UV (Figure 2 b) et la chambre à la pression de la base de la pompe. Utiliser une lampe au xénon de Osram excimer, qui émet de la lumière de longueur d’onde de 172 nm UV. L’énergie des photons correspondant est de 7,2 eV, plus grande que la fonction de travail de la surface de poussière (~ 5,5 eV) pour émettre des photoélectrons.
    Remarque : Plus courte longueur d’onde UV qui émet des photons d’énergie plus élevées devrait créer plus de charges sur les particules de poussière et donc plus de mobilisation, basé sur la charge raccordée modèle26,27.
  2. Allumez la lampe UV pour émettre des particules de poussière. Au cours de la démonstration, l’irradiance de photon est 40 mW/cm-2 à la source d’UV et ~ 16 mW/cm-2 à la surface poussiéreuse.

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Résultats

Une série d’expériences ont été réalisées en utilisant les filaments en haut ou en bas. Avec l’installation de filament haut de la page, le saut de la poussière a été enregistré (Figure 3 a). En revanche, les particules de poussière sont restés au repos lorsque vous utilisez le filament de bas. Il a été mesuré que le champ électrique vertical à la surface était d’environ même (16 V/cm) dans les deux expériences dans les conditions d?...

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Discussion

Pendant des décennies, le problème du transport de poussière électrostatique sur le régolithe d’organes airless demeurait une question ouverte, comment les particules de poussière de régolithe gagner suffisamment grands frais pour devenir mobilisés ou lobée. Récentes laboratoire études26,27 ont fondamentalement fait progresser la compréhension de ce problème.

Ici, c’est démontrés trois expériences récemment mis au ...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Ce travail a été soutenu par Institute de la NASA/SSERVI for Modeling Plasma, des atmosphères et des poussières cosmiques (IMPACT) et par le programme de fonctionnement de systèmes solaires de la NASA (numéro de licence : NNX16AO81G).

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matériels

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

Références

  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).

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