JoVE Logo
Autores
Entre em contato

Entrar

É necessária uma assinatura da JoVE para visualizar este conteúdo. Faça login ou comece sua avaliação gratuita.

Neste Artigo

  • Resumo
  • Resumo
  • Introdução
  • Protocolo
  • Resultados
  • Discussão
  • Divulgações
  • Agradecimentos
  • Materiais
  • Referências
  • Reimpressões e Permissões

Resumo

Carregamento de pó e mobilização é demonstrada em três experimentos com exposição de plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons somente ou apenas radiação ultravioleta (UV). Estas experiências apresentam a compreensão avançada do transporte do pó eletrostática e seu papel em moldar as superfícies dos corpos planetários mal ventilados.

Resumo

Transporte de pó eletrostática tem sido a hipótese para explicar uma série de observações de fenômenos planetários incomuns. Aqui, está demonstrado usando três recentemente desenvolvidos experimentos na qual poeira partículas estão expostas a plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons somente ou apenas radiação ultravioleta (UV). A fonte de luz UV tem uma largura de banda estreita em comprimento de onda centrado em 172 nm. Os elétrons do feixe com a energia de 120 eV são criados com um filamento quente negativamente inclinado. Quando a câmara de vácuo é preenchida com o gás argônio, um plasma térmico é criado além do feixe de elétrons. Partículas de pó isolante de algumas dezenas de Micra de diâmetro são usadas nos experimentos. Partículas de poeira são registradas para ser lofted para uma altura até alguns centímetros com uma velocidade de lançamento até 1 m/s. Estes experimentos demonstram que a emissão de foto e/ou secundária de elétrons de uma superfície empoeirada altera o mecanismo de carregamento de partículas de poeira. De acordo com o recentemente desenvolvido "modelo de carga de remendado", os elétrons emitidos podem ser re-absorvidos dentro microcavities entre vizinhos de partículas de poeira abaixo da superfície, causando o acúmulo de cargas negativas reforçadas na poeira circundante partículas. As forças repulsivas entre estas negativamente carregadas de partículas podem ser grandes o suficiente para mobilizar e levantá-los fora da superfície. Estas experiências apresentam a compreensão avançada de poeira de carregamento e transporte em superfícies empoeiradas e estabelecido uma base para futuras investigações de seu papel na evolução superfície de corpos planetários mal ventilados.

Introdução

Sem ar corpos planetários, como a lua e os asteroides, são cobertos com partículas de poeira fina, chamada regolito. Estes corpos sem ar, ao contrário da terra, são diretamente expostos a plasma do vento solar e solar radiação ultravioleta (UV), fazendo com que a poeira do regolito a cobrar. Cobrado por estas partículas de poeira podem, portanto, ser mobilizadas, lofted, transportadas, ou mesmo ejetadas e perdeu da superfície devido a forças eletrostáticas. A primeira evidência deste processo eletrostático sugeria o chamado "brilho do horizonte lunar", um distinto brilho acima do horizonte ocidental observado logo após o pôr do sol pela sonda espacial Surveyor 5, 6 e 7 há cinco décadas (Figura 1a)1, 2,3. Isso tem sido a hipótese de que esse brilho foi causado pela luz solar espalhada fora de partículas de poeira eletrostaticamente elevados (raio de 5 μm) a uma altura < 1 m acima da superfície perto do terminador lunar1,2,3. Pó fino eletrostaticamente lançado também foi sugerido para ser responsável para as serpentinas, como raio atingindo uma altitude elevada, relatada por Apollo astronautas4,5.

Desde que estas observações de Apollo, uma série de observações sobre os outros corpos airless também foram vinculados aos mecanismos de mobilização de pó eletrostático ou lofting, tais como os raios radiais em de Saturno anéis6,7, 8, as lagoas de poeira no asteroide Eros (Figura 1b)9 e cometa 67 P10, as superfícies porosas indicaram de espectros asteroide asteroide11, excepcionalmente suave superfície de Saturno gelada lua Atlas12e o regolito em redemoinhos lunar13. Além disso, a degradação da retrorefletores do laser na superfície lunar pode ser também causada pelo acúmulo de poeira eletrostaticamente elevados14.

Estudos de laboratório tem sido em grande parte motivados por estas observações espaço incomum para entender os processos físicos de poeira de carregamento e transporte. Mobilização de poeira tem sido observada em várias condições de plasma, no qual as partículas de poeira são lançar fora de um vidro esfera superfície15,16, levitava no plasma bainhas17e gravou para mover-se em regência e isolamento superfícies18,19,20,21. No entanto, como partículas de poeira ganham cargas grandes o suficiente para ser lofted ou mobilizado permaneceu mal compreendido. As medições das acusações sobre partículas individuais em uma superfície lisa22 e a densidade de carga média em uma superfície empoeirada23 imergido em plasmas mostram que as acusações são demasiado pequenas para partículas de poeira a ser lofted ou mobilizados.

Na prévia teorias16,24,25, o carregamento era apenas considerado ocorrer sobre a camada de superfície superior diretamente exposto ao UV ou plasma. As acusações são muitas vezes consideradas para ser distribuído uniformemente sobre toda a superfície empoeirada, ou seja., cada partícula de poeira individual adquire a mesma quantidade de carga, descrita pelo chamado "modelo de custo compartilhado"16. No entanto, as taxas calculadas a partir deste modelo são muito menores do que a força gravitacional sozinha. Uma teoria de flutuação de carga que contas para o processo estocástico dos fluxos de elétrons e íons para a superfície de16,24 mostra um reforço temporal na força eletrostática, mas continua a ser pequena em comparação com o força gravitacional.

Neste trabalho, é demonstrado eletrostática pó elevar e mobilização usando três recentemente desenvolvidos experimentos26, que são importantes para a compreensão do transporte de poeira sobre o regolito de corpos planetários mal ventilados. Estas experiências são realizadas nas condições de plasma térmico com feixe de elétrons, feixe de elétrons apenas ou radiação UV só. Estes experimentos demonstram a validade do modelo de carga desenvolvida recentemente "remendado"26,27, no qual microcavities formado entre vizinhos de partículas de poeira na superfície podem re-absorver a foto emitida e/ou secundária de elétrons, gerando grande negativo cargas nas superfícies das partículas de poeira vizinhas. As forças repulsivas entre estas cargas negativas podem tornar-se grande o suficiente para mobilizar ou retire as partículas de poeira.

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

Protocolo

1. instalação de câmara de vácuo

  1. Coloque uma folha de borracha isolante (0,2 cm de espessura, 5 cm de diâmetro) com um furo central de 1,9 cm de diâmetro sobre uma placa isolante (2 cm de espessura e 20 cm de diâmetro) (Figura 2a, b). Carga de isolamento, de forma irregular em forma de partículas de poeira (entre 10 e 50 μm de diâmetro) no buraco.
  2. Coloque a placa de isolamento em uma pé de placa de metal no meio de uma câmara de vácuo. Isole eletricamente a placa de metal da câmara usando espaçadores de cerâmicas.
  3. Ligar as bombas de vácuo (uma bomba turbo, apoiada por uma bomba mecânica de desbaste) para alcançar a pressão base de ~ 10-6 Torr. Os experimentos demonstram são executados em uma câmara cilíndrica de vácuo aço inoxidável, 50 cm de diâmetro e 28 cm de altura (Figura 2C).
  4. Registre o movimento de pó e elevar com uma câmera de vídeo a uma velocidade regular de 30 quadros/s (fps) ou uma câmera de alta velocidade (> 2000 fps). Use um diodo emissor de luz com a intensidade de iluminação máxima equivalente a > 500W incandesce luz para produzir suficiente iluminação das partículas de poeira para gravação de vídeo de boa qualidade.
    Nota: Usando a borracha é por causa de sua cor escura que minimiza a reflexão da luz para a câmera. Partículas de poeira clara devem ser usadas para fotografar melhor devido ao contraste de cor para o revestimento escuro. A chapa de espessura isolante é usada para eliminar o efeito do campo elétrico entre a superfície da placa isolante e placa de metal sobre o carregamento de pó e mobilização. Nesta demonstração, simulador de Marte (JSC-Mars-1, peneirada para o diâmetro médio de 38-48 μm, densidade de massa de 1,9 g/cm-3 e composição principal de SiO2 28) foram usados, que se assemelha a poeira de regolito geral dos corpos mal ventilados no interno sistema solar. Vários outros tipos de partículas de poeira de isolamento também foram testados, como o simulador lunar (JSC-1), highland simulador lunar (LHT) e poeira de sílica pura.

2. exposição de plasma térmico com os elétrons do feixe

  1. Anexar um filamento de tungstênio thoriated (0,1 mm de espessura e ~ 3 cm de comprimento) para uma passagem de eletrodo e instalá-lo no topo da câmara. Então a bomba na câmara até a pressão de base.
  2. Encha a câmara de vácuo com gás argônio à pressão do ~ 0.5 mTorr.
  3. Ligue o fornecimento de energia e definir a tensão de polarização -120 V para o filamento.
  4. Aumentar a tensão de aquecimento para o aquecimento atual ~ 2A até a emissão atual atinge um valor desejado (alguns mA). Elétrons energéticos com a energia de 120 eV serão emitidos do filamento.
    Nota: Esses elétrons de feixe-como principais impacto átomos de argônio neutra, levando-os a ser ionizado e a criação de um plasma com uma temperatura de elétrons em torno de 2 eV. Uma grande fração dos elétrons do feixe primário atinge diretamente a superfície empoeirada sem colisões com átomos neutros. Partículas de poeira, portanto, estão expostas a ambos os térmica plasma e feixe de elétrons.
  5. Para mostrar o papel dos elétrons do feixe energético no transporte de pó, use uma operação alternativa de criação de um plasma térmico acima de partículas de poeira.
    1. Ligue um filamento alternativo na parte inferior da câmara com a tensão de polarização -40 V e emissão atual até 400 mA (Figura 2a). Os elétrons primários emitidos a partir do filamento serão interrompidos pela placa de metal abaixo da placa insultante na qual as partículas de poeira descansar (Figura 2a, b).
    2. Varia a emissão atual para alterar o campo elétrico acima da superfície. Corrente superior cria maior densidade do plasma, bainha mais fina e, portanto, maior campo elétrico.

3. exposição ao feixe de elétrons apenas

  1. Instalação do experimento conforme descrito no experimento acima usando o filamento de topo.
  2. Ligue o filamento superior sob a pressão de base 10-6 Torr (i. e., nenhum gás argônio alimentados na câmara). Plasma não é criado quando somente os elétrons do feixe 120 eV emitido do bombardeiam filamento as partículas de poeira.
  3. Opere o filamento em dois modos diferentes.
    1. Definir a tensão de polarização de -120 V e, em seguida, aumentar a tensão de aquecimento até a emissão atual atinge alguns mA.
    2. Aumentar a tensão de aquecimento para alcançar um aquecimento desejado atual ~ 2 A, em seguida aumentar a tensão de polarização de 0 V gradualmente para -120 V para emitir elétrons com uma corrente de emissão de alguns mA.

4. a exposição à radiação UV só

  1. Substitua o filamento superior com uma lâmpada UV (Figura 2b) e bomba para baixo da câmara à pressão de base. Use uma lâmpada Osram excimer de xénon, que emite luz de comprimento de onda de 172 nm a UV. A energia do photon correspondente é 7,2 eV, maior do que a função do trabalho da superfície de pó (~ 5,5 eV) para emitir photoelectrons.
    Nota: Mais curto comprimento de onda UV que irradia fótons de energia maiores é esperado para criar mais acusações sobre as partículas de poeira e, portanto, mais mobilização, baseada o modelo de carga remendado26,27.
  2. Ligue a lâmpada UV para irradiar partículas de poeira. Na demonstração, a irradiância de fóton é 40 mW/cm-2 na fonte de UV e ~ 16 mW/cm-2 na superfície empoeirada.

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

Resultados

Um conjunto de experimentos foram realizados usando os filamentos superior ou inferior. Com a instalação de topo do filamento, o salto de partículas de poeira foi gravado (Figura 3a). Em contraste, as partículas de poeira permaneceram em repouso quando usando o filamento de fundo. Isso foi medido que o campo elétrico vertical na superfície era aproximadamente mesmo (16 V/cm) em ambos os experimentos nas condições descritas no protocolo passo 2

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

Discussão

Durante décadas, o problema de transporte de pó eletrostática sobre o regolito de corpos airless permaneceu uma questão em aberto como partículas de poeira do regolito ganham cargas suficientemente grandes para tornar-se mobilizado ou lofted. De26,de estudos de laboratório recentes27 avançaram fundamentalmente a compreensão deste problema.

Aqui, é demonstrados três experimentos recentemente desenvolvidos para mostrar o carreg...

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

Divulgações

Os autores não têm nada para divulgar.

Agradecimentos

Este trabalho foi financiado pelo Instituto da NASA/SSERVI Plasma modelagem, atmosferas e poeira cósmica (impacto) e pelo programa de funcionamento de sistemas solares da NASA (Grant number: NNX16AO81G).

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

Materiais

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

Referências

  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.

Reimpressões e Permissões

Solicitar permissão para reutilizar o texto ou figuras deste artigo JoVE

Solicitar Permissão

Explore Mais Artigos

Ci ncias ambientaisquest o 134poeira de carregamentotransporte de p eletrost ticoplasma empoeiradophotoelectronsel trons secund riosregolitocorpos airlessluaasteroidesprocessos de superf cie

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacidade

Termos de uso

Políticas

Entre em contato

recomende à biblioteca

Newsletter

Pesquisa

Educação

Autores

Bibliotecários

SOBRE A JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. Todos os direitos reservados