먼지가 충전 및 자외선 또는 플라즈마에 노출 표면에 동원의 실험 방법

요약

먼지 충전 및 동원 전자 빔, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 3 실험에서 증명 됩니다. 이러한 실험 정전기 먼지 전송의 고급 이해 및 무기 행성 시체의 표면 형성에 역할을 제시.

초록

정전기 먼지 전송 다양 한 특이 한 행성 현상의 관측을 설명 하기 위해 가설 되었습니다. 여기, 그것은 최근 3을 사용 하 여 실험에 있는 먼지 입자 빔 전자, 빔 전자만, 또는 자외선 (UV) 방사선만 열 플라즈마에 노출 되는 개발 시연입니다. UV 광원 파장 가운데 172에 좁은 대역폭에 nm. 120 eV의 에너지 광속 전자는 부정적으로 치우치는 뜨거운 필 라 멘 트와 함께 만들어집니다. 진공 챔버를 아르곤 가스로 가득 열 플라즈마 전자 빔 이외에 만들어집니다. 미크론 직경에서의 몇 수만의 격리 먼지 입자는 실험에 사용 됩니다. 먼지 입자는 1 m/s까지 발사 속도 함께 몇 센티미터까지 높이 lofted에 기록 됩니다. 이러한 실험 사진 및/또는 2 차 전자 방출 먼지 표면에서 먼지 입자의 충전 메커니즘을 변경 하는 방법을 보여 줍니다. 최근에 개발 된 "패치 충전 모델"에 따르면 방출된 전자를 다시 주변 먼지에 향상 된 부정적인 비용의 축적을 일으키는 표면 아래 이웃 먼지 입자 사이 microcavities 안으로 흡수 될 수 있다 입자입니다. 이 사이 반발 세력 부정적인 청구 입자 동원과 그들을 리프트 표면에서 충분히 클 수 있습니다. 이러한 실험 먼지가 표면에 먼지 충전 및 전송의 고급 이해를 제시 하 고 답답한 행성 시체의 표면 진화에 그것의 역할의 미래 조사에 대 한 토대를 마련.

서문

달과 소행성, 같은 답답한 행성 시체, 미세 먼지 입자 라는 regolith 덮여 있다. 이 답답한 몸, 지구와 달리 직접 태양풍 플라즈마 및 청구 regolith 먼지를 일으키는 태양 자외선 (UV) 방사선에 노출 됩니다. 이러한 먼지 입자 수 있습니다 따라서 동원, 로프트, 수송, 또는 심지어 배출 되며 정전기 힘 때문에 표면에서 분실 청구. 첫 번째 제안이 정전기 과정의 증거 이었다 소위 "달 지평선 빛", 5 년 전 (그림 1a) 5, 6, 및 7 감정 인 우주선에 의해 일몰 직후 관찰 서쪽 지평선 위에 뚜렷한 빛^{1, 2,3}. 그것은이 발광에서 정전 로프트 먼지 입자 (5 μ m 반경)에서 < 달 터미네이터^1,2,3근처 표면 위에서 1m 높이에 흩어져 햇빛에 의해 발생 했다 가정 했다 되었습니다. 정전 발표 미세 먼지 또한 아폴로 우주 비행사^4,5에 의해 보고 되는 높은 고도 도달 하는 광선 같은 깃발에 대 한 책임을 제안 했다.

이후이 아폴로 관측, 관측 다른 무기 시체의 숫자 또한 정전기 먼지 동원의 메커니즘에 연결 된 또는 로프트 했다, 토성의 레이디얼 스포크 같은 반지^{6,7, 8}, 소행성 에로스 (그림 1b)⁹ 에 먼지 연못과 혜성 67 P¹⁰,¹¹주요 벨트 소행성 스펙트럼에서 표시 다공성 표면 비정상적으로 부드러운 표면 토성의 얼음 달 아틀라스¹², 그리고 ¹³달 소용돌이 regolith입니다. 또한, 달 표면에 레이저 retroreflectors 저하 정전 로프트 먼지¹⁴의 축적에 의해 또한 발생할 수 있습니다.

실험실 연구는 크게 먼지 충전의 물리적 과정을 이해 하 고 수송 하기 위해이 특별 한 공간 관측 동기가 되었습니다. 먼지가 동원 있는 먼지 입자는 유리 구 표면^15,16, 플라즈마 sheaths¹⁷, 부상 및 모두를 실시 하 고 보 온에 이동 기록에서 떨어져 창 고는 다양 한 플라즈마 조건에서 관찰 되었습니다. 표면^18,19,,2021. 그러나, 먼지 입자 로프트 또는 동원 충분히 큰 요금을 얻을 어떻게 제대로 이해 남아 있었다. 부드러운 표면²² 에 개별 먼지 입자 및 플라스마에 먼지가 표면²³ 에 평균 충전 밀도 요금 측정 표시 요금은 로프트 또는 동원 먼지 입자에 대 한 너무 작은.

이전 이론^16,,2425, 충전만 UV 또는 플라스마에 직접 노출 되는 최고 표면 층에 고려 되었다. 혐의 종종 전체 먼지 표면, 즉균일 하 게 배포할 수 간주 됩니다., 각 개별 먼지 입자의, 소위 "공유 책임 모델"¹⁶에 의해 설명 된 동일한 금액을 얻습니다. 그러나,이 모델에서 계산 하는 요금은 혼자 중력 보다 훨씬 작습니다. 전자와 이온 표면^16,24 의 용의 확률 과정에서는 정전기 힘, 일시적인 향상 하지만 그것에 비교에서 작은 남아 계정 요금 변동 이론에 중력 힘입니다.

이 논문에서는, 정전기 먼지 로프트와 동원은 증명 최근 3을 사용 하 여 개발 실험²⁶는 답답한 행성 시체의 regolith에 먼지 수송을 이해 하기 위한 중요 한. 이 실험은 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라즈마의 조건에서 수행 됩니다. 이러한 실험 최근에 개발 된 "패치 충전 모델"^26,27타당성 입증, 어떤 microcavities 형성 사이 먼지 입자 표면 아래 이웃 흡수할 수 있는 다시 내보낸된 사진 및 2 차 전자, 큰 생성 음수 인접 먼지 입자의 표면에 요금. 이러한 부정적인 요금 사이 반발 세력 동원 또는 먼지 입자에서 리프트를 충분히 큰 될 수 있습니다.

프로토콜

1. 진공 챔버 설치

1. 보 온 플레이트 (2 ㎝ 두께 직경에서 20 cm)에 단 열 고무 시트 (두께 0.2 c m, 직경에서 5 cm) 중앙 구멍 1.9 cm 배치 (그림 2a, b). 단 열, 불규칙 모양의 먼지 입자 (직경에서 10, 50 μ m) 사이 구멍을 로드 합니다.
2. 진공 챔버 중간 금속 판 서에 보 온 접시를 놓습니다. 전기 세라믹 스탠드 오프를 사용 하 여 상공에서 금속판 분리.
3. 진공 펌프 (터보 펌프 기계 황삭 펌프에 의해 뒷받침) 설정의 기본 압력까지 ~ 10^-6 Torr. 보여주는 실험 원통형 스테인레스 스틸 진공 챔버, 50 cm 직경에 키 큰 28 cm (그림 2c)에서 수행 됩니다.
4. 먼지 운동과 로프트 일반 속도는 30 프레임/s (fps) 또는 고속 (> 2000 fps) 카메라에서 비디오 카메라와 함께 기록 합니다. 최대 조명에 해당 하는 LED 빛을 사용 하 여 > 500W incandesce 생산 좋은 품질 비디오 녹화에 대 한 먼지 입자에 충분 한 조명 하는 빛.
   참고: 때문에 카메라에 빛의 반사를 최소화 하는 어두운 색상은 고무를 사용 하 여. 밝은 색 먼지 입자는 어두운 고무 표면에 색상 대비로 인해 더 나은 촬영을 위해 사용 되어야 한다. 두꺼운 단 열 플레이트 먼지 충전 및 동원에 단 열 플레이트의 표면 및 금속 격판덮개 사이 전기 분야의 영향을 제거 하는 데 사용 됩니다. 이 데모에서는 화성 simulant (JSC-화성-1, 38-48 μ m의 평균 직경, 1.9 g/c m^-3 의 대량 밀도 SiO₂ ²⁸의 주요 구성 sieved) 사용 되었다는 유사한 내부에 답답한 시체의 일반적인 regolith 먼지 솔 라 시스템입니다. 다양 한 다른 유형의 먼지 입자를 절연 달 simulant (JSC-1), 음력 simulant 하이랜드 (LHT) 순수한 실리 카 먼지 등도 테스트 되었습니다.

2. 빔 전자와 열 플라즈마에 노출

1. Thoriated 텅스텐 필 라 멘 트를 첨부 (0.1 m m 두께 ~ 3 ㎝ 길이) 전극 피드스루를 챔버 위에 그것을 설치 하 고. 다음 기본 압력까지 챔버를 펌프.
2. 아르곤 가스의 압력을 진공 챔버를 채웁니다 ~ 0.5 mTorr.
3. 전원 공급 장치를 켜고는 필 라 멘 트로 바이어스 전압-V 120을 설정.
4. 현재 난방 난방 전압 증가 ~ 2A 방출 전류 (몇 mA) 원하는 값에 도달할 때까지. 120 eV의 에너지와 에너지 전자는 필 라 멘 트 로부터 방출 됩니다.
   참고:이 빔 같은 기본 전자 영향 중립 아르곤 원자를 이온화 되기에 그들을 일으키는 원인이 되 고 전자 온도 약 2 eV는 플라즈마를 만들기. 기본 빔 전자의 큰 분수는 직접 중립 원자와 충돌 없이 먼지가 표면에 도달합니다. 먼지 입자는 모두 열 플라즈마 및 빔 전자에 따라서 노출 됩니다.
5. 먼지 전송에 에너지 빔 전자의 역할을 표시 하려면 먼지 입자 위에 열 플라즈마를 만드는 대체 작업을 사용 합니다.
   1. 설정 바이어스 전압 챔버의 바닥에는 다른 필 라 멘 트-V 40와 방출 전류 400 mA (그림 2a). 기본 전자는 필 라 멘 트 로부터 방출 되는 먼지 입자 (그림 2a, b) 나머지 모욕 접시 아래 금속 격판덮개에 의해 중지 됩니다.
   2. 표면 위의 전기 필드를 변경 하려면 현재 방출을 다. 더 높은 전류 높은 플라즈마 밀도, 얇은 칼 집, 그리고 이렇게 더 큰 전기장을 만듭니다.

3입니다.만 전자 광속 노출

1. 최고의 필 라 멘 트를 사용 하 여 위의 실험에 설명 된 대로 실험을 설치.
2. 기본 압력 10^-6 Torr에서 최고의 필 라 멘 트에 설정 (즉., 아르곤 가스 챔버에 공급). 아니 플라즈마 120 eV 빔 전자 필 라 멘 트도 배에서 먼지 입자를 방출 하는 동안 만들어집니다.
3. 두 가지 다른 모드에서 필 라 멘 트를 작동 합니다.
   1. -120 V, 바이어스 전압 설정 다음 방출 현재 몇 mA에 도달할 때까지 열 전압을 증가.
   2. 열 전압을 원하는 난방 현재를 도달 증가 ~ 2 A, 바이어스 전압 0 V-120 V 몇 mA의 방출 전류와 전자를 방출 하을 점차적으로 증가.

4입니다. UV 방사선만 노출

1. 최고의 필 라 멘 트를 UV 램프 (그림 2b)와 기본 압력 챔버를 펌프 바꿉니다. 172 nm 파장의 자외선을 방출 하는 크 세 논 엑 오 스 람 램프를 사용 합니다. 해당 광자 에너지는 7.2 eV, 먼지 표면의 일 함수 보다 더 큰 (~ 5.5 eV) photoelectrons를 내보내려면.
   참고: 짧은 파장 UV 높은 에너지 광자를 방출 하는 먼지 입자에 따라서 더 많은 동원, 패치 충전 모델^26,27에 따라 더 많은 책임을 만들 예정 이다.
2. 먼지 입자를 방출 하는 자외선 램프를 켭니다. 데모, 광자 방사는 UV 소스에서 40 mW/cm^-2 와 ~ 먼지가 표면에 16 mW/cm^-2 .

결과

실험의 세트는 위쪽 또는 아래쪽 필 라 멘 트를 사용 하 여 수행 했다. 최고의 필 라 멘 트 설치와 함께 기록 된 먼지 입자의 호핑 (그림 3a). 반면, 먼지 입자 하단 필 라 멘 트를 사용 하는 경우 나머지에 남아 있었다. 그것은 표면에 수직 전기장 프로토콜 2 단계²⁶에서 설명 하는 조건 하에서 두 실험에서 약 같은 (16 V/cm)은 측정 되었다...

토론

수십 년 동안,의 답답한 시체의 regolith 정전기 먼지 교통 문제 어떻게 regolith 먼지 입자 얻을 동원 또는 로프트 충분히 큰 요금 미결 문제에 남아 있었다. 최근 실험실 연구^26,27 근본적으로이 문제에 대 한 이해를 전진 했다.

여기, 전자 빔, 빔 전자만 또는 UV 방사선만 열 플라스마에서 먼지 충전 및 동원을 보여 시연된 3 최근에 개발 ?...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Vacuum chamber	Any	NA
Vacuum electrode feedthrough	Lesker	EFT0113053
Tungsten filament (0.1 mm thick)	Goodfellow	W055250	Thoriated
Power supply #1 (0-8V, 3A)	Agilent	E3610A	Or equivalent
Power supply #2 (0-140V, 0.5A)	Agilent	E3612A	Or equivalent
UV lamp	Osram	XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV	Or equivalent
Dust sample	Any	Mars or Lunar simulants or other types	Irregularly-shaped, sieved, insulating
Insulating plate	Any	NA	Thickness > 1 cm
Rubber sheet	Any	NA	Thickness > 1 mm
Metal plate	Any	NA
Ceramic stands	McMaster	94335A130	1/2" diameter
Video camera (consumer)	Panasonic	HC-VX870	Or equivalent
Video camera (high-speed)	Phantom	V2512	> 1000 fps
LED lamp	Any	NA	> 500W Tungsten Equivalent