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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

אבק טעינה והתגייסות הוא הפגינו 3 ניסויים עם חשיפה פלזמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינה אולטרה סגולה (UV) בלבד. ניסויים אלה מציגים את ההבנה מתקדמת של אבק אלקטרוסטטית תחבורה ותפקידו בעיצוב המשטחים של גופים פלנטריים ומחניק.

Abstract

יש כבר שיערו אבק אלקטרוסטטית התחבורה להסביר מספר תצפיות התופעות פלנטרית יוצאת דופן. . הנה, הוכח באמצעות שלושה לאחרונה פיתחה ניסויים אילו אבק חלקיקים נחשפים פלזמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינה אולטרה סגולה (UV) בלבד. מקור האור UV יש רוחב פס צר של גל שמרכזו בנקודה 172 ננומטר. קרן האלקטרונים עם האנרגיה של 120 eV נוצרים עם פילמנט חם מוטה באופן שלילי. כאשר תא ואקום מלא הגז ארגון, מסך פלזמה תרמי נוצר בנוסף כשקרן האלקטרונים. חלקיקי אבק בידוד של כמה עשרות מיקרונים בקוטר משמשים בניסויים. חלקיקי אבק נרשמים כדי להיות lofted לגובה עד כמה סנטימטרים עם מהירות השיגור עד 1 m/s. ניסויים אלה מדגימים כי פליטת צילום ו/או משני אלקטרונים מפני-שטח מאובק משתנה מנגנון טעינה של חלקיקי אבק. על-פי פיתחה לאחרונה "שתוקנה מודל תשלום", האלקטרונים הנפלטים יכול להיקלט מחדש בתוך microcavities בין שכנים חלקיקי אבק מתחת לפני השטח, גורם להצטברות של מטענים שליליים משופרת על האבק שמסביב חלקיקי. כוחות דוחה בין אלה אניון חלקיקים עשוי להיות גדול דיו כדי לגייס ולהרים אותם מעל פני השטח. ניסויים אלה מציגים את ההבנה מתקדמת של אבק הטעינה וההובלה על משטחים מאובק, והניח בסיס לחקירות עתידיות של תפקידה באבולוציה משטח של גופים פלנטריים ומחניק.

Introduction

גופים פלנטריים ומחניק, כגון אסטרואידים, והירח מכוסים אבק דק חלקיקים הנקראים רגולית. גופים אלה ומחניק, שלא כמו כדור הארץ, חשופים ישירות רוח השמש פלאזמה וסולארית קרינה אולטרה סגולה (UV), גורם האבק רגולית להיות טעונה. אלה טעונה חלקיקי אבק ייתכן לכן גייסה, lofted, מועבר, או אפילו נפלט ויש איבד מן השטח בשל כוחות אלקטרוסטטית. הראשונה הציעה ראיות של תהליך אלקטרוסטטית זה היה מה שמכונה "אופק הירח הזוהר", זוהר ברורים מעל האופק המערבי נצפתה זמן קצר לאחר שקיעת החמה על ידי מודד 5, 6, ו-7 חלליות חמישה עשורים לפני (איור 1 א')1, 2,3. זה היה שיערו כי זוהר זה נגרם על-ידי אור השמש המתפזרת את חלקיקי אבק electrostatically lofted (5 μm radius) לגובה < 1 מ' מעל פני השטח ליד הירח שליחות קטלנית1,2,3. אבק דק electrostatically המשוחררים הוצע גם להיות אחראי לסרטים כמו ריי להגיע בגובה שדווחו על-ידי4,האסטרונאוטים אפולו5.

מאז ההבחנות הללו אפולו, מספר תצפיות על גופים איירלס אחרים היו גם מקושר למנגנונים של אבק אלקטרוסטטית גיוס או לופטינג, כמו החישורים רדיאלי של שבתאי טבעות6,7, 8, אגמים אבק על האסטרואיד ארוס (איור 1b)9 , שביט P 6710, משטחים נקבוביים המצוין של ספקטרה האסטרואידים הראשית-החגורה11, המשטח באופן יוצא דופן חלקה של שבתאי הקפוא הירח אטלס12, ו רגולית-מערבולות ירחי13. בנוסף, ההשפלה של retroreflectors לייזר על פני הירח יכול גם להיגרם על ידי ההצטברות של אבק electrostatically lofted14.

במחקרי מעבדה יש כבר מונעים בעיקר על-ידי אלה תצפיות שטח יוצאת דופן כדי להבין תהליכים פיזיים להטענת אבק ומובילים. גיוס אבק נצפתה בתנאים שונים פלזמה, שבו חלקיקי אבק נושרים הנחה מ זכוכית כדור משטח15,16, התרוממתי פלזמה מעילי פרווה17, והקליט להמשיך הלאה ניצוח והן בידוד משטחים18,19,20,21. עם זאת, כמה חלקיקי אבק לצבור מטענים גדולים מספיק כדי להיות lofted או גייסה נשארו ממעטים להבין. המדידות של תשלומים על חלקיקי אבק בודדים על פני שטח חלקה22 , הצפיפות הממוצעת תשלום מאובק משטח23 שקוע פלזמות מראים כי ההאשמות קטן מדי עבור חלקיקי אבק lofted או גייסה.

תיאוריות קודמות16,24,25, ההטענה רק נחשב מתרחשים על פני השכבה העליונה ישירות החשוף ל- UV או פלסמה. חיובים נחשבות לעתים קרובות יחולקו בצורה אחידה על פני מאובק כולו, כלומר., כל חלקיק אבק הפרט רוכש את אותה כמות של תשלום, שתיאר את מה שנקרא "משותפת מודל תשלום"16. עם זאת, ההאשמות שמחושבים מודל זה הן הרבה יותר קטן מאשר כוח הכבידה לבד. תיאוריה תנודות תשלום חשבונות עבור תהליך סטוכסטי פלקסים של אלקטרונים, יונים פני16,24 מציג שיפור זמני, כוח אלקטרוסטטי, אבל זה נשאר קטן בהשוואה כוח כבידה.

בנייר זה, אבק אלקטרוסטטית לופטינג והתגייסות הוכח באמצעות שלושה לאחרונה פיתחה ניסויים26, אשר חשובים להבנת אבק הובלה על רגולית של גופים פלנטריים ומחניק. ניסויים אלה מבוצעות בתנאים של פלסמה תרמי עם קרן אלקטרונים, קרן אלקטרונים בלבד או קרינת UV בלבד. ניסויים אלה מדגימים את תוקפו של פיתחה לאחרונה "מודל תשלום שתוקנה"26,27, ב microcavities אשר נוצר בין שכנים חלקיקי אבק מתחת לפני השטח יכול מחדש לספוג את התמונה הנפלט ו/או משני אלקטרונים, יוצר גדול שליליות חיובים על המשטחים של חלקיקי האבק שכנות. כוחות דוחה בין ההאשמות שלילי יכול להיות גדול דיו כדי לגייס או תמריא חלקיקי האבק.

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

Protocol

1. הגדרת תא ואקום

  1. מקום בידוד גומי גיליון (0.2 ס"מ, 5 ס מ קוטר) עם חור מרכזי 1.9 ס מ קוטר בצלחת בידוד (בעובי 2 ס מ ו- 20 ס מ קוטר) (איור 2 א, ב'). לטעון בידוד, ומתפשטים בצורת חלקיקי אבק (בין 10 ל-50 μm בקוטר) בתוך החור.
  2. מניחים את הצלחת בידוד על פסל עומד לוחית המתכת באמצע תא ואקום. חשמלית לבודד את לוחית המתכת מן החדר באמצעות קרמיקה המצבים.
  3. להפעיל את משאבות ואקום (משאבה טורבו מגובה על ידי משאבה roughing מכני) כדי להגיע ללחץ הבסיס ~ 10-6 טנדר של גוה של. המפגינים הניסויים מתבצעים בתוך תא ואקום גלילי פלדה אל חלד, 50 ס מ בקוטר של 28 ס מ גבוה (איור 2 c).
  4. רשומות התנועה אבק של לופטינג עם מצלמת וידאו במהירות רגילה של 30 מסגרות לשנייה (fps) או מצלמה במהירות גבוהה (> 2000 fps). להשתמש נורית LED עם ההארה המקסימלי שווה ערך ל > 500W incandesce אור כדי לייצר מספיק תאורה על חלקיקי האבק עבור הקלטת וידאו באיכות טובה.
    הערה: שימוש הגומי הוא בגלל הצבע הכהה שמקטינה את השתקפות האור למצלמה. חלקיקי אבק בהיר אמור לשמש לצילום טוב יותר בשל הניגוד צבע על פני השטח האפל גומי. הצלחת בידוד עבה משמשת עבור ביטול ההשפעה של שדה חשמלי בין פני השטח של הלוח בידוד לוחית המתכת על אבק טעינה של גיוס. בהפגנה הזו, שימשו מאדים simulant (JSC-מארס-1, sieved קוטר 38-48 μm מרושע, צפיפות המוניים של 1.9 גרם/ס"מ-3 והרכב הגדולות של2 SiO 28), אשר דומה האבק רגולית כללי של גופים איירלס הפנימי מערכת השמש. סוגים שונים של בידוד חלקיקי אבק נבדקו גם, כגון הירח simulant (JSC-1), simulant ירחי היילנד (LHT), אבק סיליקה טהורה.

2. חשיפה פלזמה תרמי עם אלומת האלקטרונים

  1. לצרף של נימה טונגסטן thoriated (0.1 מ"מ עובי ו ~ 3 ס מ) מוזנים אלקטרודה ולהתקין אותו על ראש הלשכה. ואז לשאוב את החדר עד הלחץ הבסיסי.
  2. למלא תא ואקום גז ארגון הלחץ של ~ 0.5 mTorr.
  3. להפעיל את ספקי כוח ולהגדיר את המתח הסטייה-120 V הסיב.
  4. . תגביר את המתח חימום כדי החימום הנוכחי ~ 2A עד הפליטה הנוכחי מגיע ערך הרצוי (כמה-תואר שני). באלקטרונים אנרגטיים עם האנרגיה של 120 eV שיבוצעו מחוט הלהט.
    הערה: דמויי אלומת האלקטרונים הראשית להשפיע אטומים ניטרליים ארגון, גורם להם להיות מיונן ויצירת מסך פלזמה עם טמפרטורה האלקטרונים סביב 2 eV. חלק גדול של האלקטרונים הקורה הראשית מגיעה ישירות לפני השטח מאובק ללא התנגשויות עם אטומים ניטרליים. חלקיקי אבק נחשפים ולכן הן תרמית פלאזמה וקרן האלקטרונים.
  5. כדי להציג את התפקיד של קרן אנרגטי אלקטרונים בתחבורה אבק, השתמש פעולה אלטרנטיבית של יצירת מסך פלזמה תרמי מעל חלקיקי אבק.
    1. להפעיל נימה חלופי בחלק התחתון של החדר עם המתח הסטייה-40 V ופליטה הנוכחי עד 400 mA (איור 2 א). ראשי האלקטרונים הנפלטים נימה תופסק על ידי את לוחית המתכת מתחת לצלחת מעליב שבו חלקיקי האבק לנוח (איור 2 א, ב').
    2. משתנים הפליטה הנוכחית כדי לשנות את השדה החשמלי מעל פני השטח. זרם גבוה יותר יוצר צפיפות גבוהה יותר פלזמה, נדן דק יותר, ובכך שדה חשמלי גדול יותר.

3. חשיפה קרן אלקטרונים בלבד

  1. הגדרת הניסוי כפי שמתואר על הניסוי הנ ל באמצעות חוט הלהט העליון.
  2. להפעיל את הסיב העליונה תחת לחץ בסיס 10-6 טנדר של גוה של (כלומר., אין גז ארגון האכיל בבית הבליעה). אין פלסמה נוצר בזמן רק 120 eV קרן האלקטרונים הנפלטים להפציץ הלהט חלקיקי האבק.
  3. מפעילים את הסיב בשני מצבים שונים.
    1. הגדר את המתח הסטייה כ-120 V, אז תגביר את המתח חימום עד הפליטה הנוכחי מגיע אמא כמה.
    2. . תגביר את המתח חימום להגיע חימום הרצויה הנוכחי ~ 2 A, אז תגביר את המתח הסטייה בין 0 V בהדרגה ל-120 V לפלוט אלקטרונים עם זרם הפליטה של אמא כמה.

4. חשיפה לקרינה UV רק

  1. החלף את הסיב העליון עם מנורת UV (איור 2b) וחדר משאבת למטה התא על-ידי הבסיס. השתמש מנורה Osram excimer קסנון, אשר פולט אור באורך גל nm 172 UV. אנרגית הפוטון המתאים הוא 7.2 eV, שגודלם פונקציית העבודה של המשטח אבק (~ 5.5 eV) על מנת לפלוט photoelectrons.
    הערה: אורך גל קצר יותר UV המוקרנת פוטונים באנרגיה גבוהה יותר צפוי ליצור חיובים נוספים על חלקיקי האבק והתגייסות ולכן יותר, המבוסס על תשלום תוקנו דגם26,27.
  2. הפעל את מנורת UV להקרין חלקיקי אבק. בהפגנה irradiance פוטון הוא 40 mW/cm-2 במקור UV ו ~ mW/cm 16-2 על פני מאובק.

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

תוצאות

ערכה של הניסויים בוצעו באמצעות חוטים העליונים או התחתונים. עם הגדרת פילמנט העליון, מקפץ של חלקיקי האבק הוקלט (איור 3 א). לעומת זאת, חלקיקי האבק נשאר במנוחה כאשר באמצעות חוט הלהט התחתון. זה היה נמדד השדה החשמלי אנכי על פני השטח היה כ זהה (16 V/ס מ) שני ניסויים בתנ...

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

Discussion

במשך עשורים, בעיית התחבורה אבק אלקטרוסטטית רגולית הגופות איירלס נותרה שאלה פתוחה כמה חלקיקי אבק רגולית רווח חיובי גדול מספיק כדי להיות גייסה או lofted. האחרונות מעבדה מחקרים26,27 קידמו באופן מהותי את ההבנה של בעיה זו.

. הנה, זה והפגינו 3 ניסויים שפו...

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

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על-ידי המכון של נאס א/SSERVI עבור מידול פלזמה, אטמוספרות, אבק קוסמי (ההשפעה), על-ידי התוכנית במנגנון של מערכות סולאריות נאס א (להעניק את המספר: 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

134photoelectrons

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