JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Зарядка пыли и мобилизация проявляется в трех экспериментов с воздействием термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или ультрафиолетового (УФ) излучения только. Эти эксперименты представляют расширенные понимания электрофильтрах пыль транспорта и его роль в формировании поверхности безвоздушного планетных тел.

Аннотация

Электрофильтрах пыль транспорта было предположить, чтобы объяснить ряд наблюдений необычных явлений, планетарные. Здесь доказано, что с помощью трех недавно разработали экспериментов, в которых пыли частицы подвергаются термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или ультрафиолетового (УФ) излучения только. Источник УФ света имеет узкой полосой пропускания в волны, центрированного 172 Нм. Пучка электронов с энергией 120 eV создаются с отрицательно предвзятым горячие накаливания. При вакуумной камеры заполняется газом Аргон, термической плазмы создается помимо электронного луча. Изолирующие частицы пыли несколько десятков микрон в диаметре используются в экспериментах. Частицы пыли записываются поднимаются на высоту до нескольких сантиметров с запуска скорость до 1 м/сек. Эти эксперименты показывают, что фото и/или средних электрона выбросов от пыльной поверхности изменяется механизм зарядки частиц пыли. Согласно недавно разработанных «заплата заряда модель» излучаемых электроны могут повторно всасывается внутри микрорезонаторах между соседними частицами пыли ниже поверхности, вызывая накопления более отрицательных зарядов на окружающие пыли частицы. Отвратительный сил между этими отрицательно заряженные частицы могут быть достаточно большой, чтобы мобилизовать и поднять их с поверхности. Эти эксперименты представляют расширенные понимание пыли зарядки и транспорта на пыльных поверхностях и заложил фундамент для будущего исследования его роли в поверхности эволюции безвоздушного планетных тел.

Введение

Безвоздушного планетных тел, таких как Луна и астероидов, покрыты тонкой пыли частиц, называемых реголита. Эти безвоздушного органы, в отличие от земли, непосредственно подвергаются воздействию плазмы солнечного ветра и солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения, вызывая реголита пыли заряжаться. Эти взимается частицы пыли могут поэтому быть мобилизованы, сечениям, транспортировки, или даже выбрасывается и потерял от поверхности вследствие электростатических сил. Первый предложил доказательств электростатические процесс был так называемый «свечение Луны горизонт», собственный свечение над Западной горизонтом наблюдением инспектора, 5, 6 и 7-ка пять десятилетий тому назад (рис. 1a) вскоре после захода солнца1, 2,3. Предположили, что это свечение было вызвано солнечным светом, рассеян от частиц пыли электростатически сечениям (радиус 5 мкм) на высоту < 1 м над поверхностью вблизи лунного Терминатор1,2,3. Электростатически выпустила мелкодисперсной пыли было также предложено отвечать за Рэй как растяжки, достигая большой высоты сообщил Аполлон астронавтов4,-5.

С тех пор эти наблюдения Аполлон, количество наблюдений над другими безвоздушного органы были также связаны с механизмами мобилизации электрофильтрах пыль или сечениям, таких как радиальные спицы в Сатурн кольца6,7, 8, пыль пруды на астероиде Эрос (рис. 1b)9 и кометы 67 P10, пористых поверхностей указано от главного пояса астероидов спектры11, необычайно гладкой поверхности Сатурна ледяной Луна Атлас12и реголита лунного сучки13. Кроме того деградация светоотражателей лазера на поверхности Луны может быть также вызвано накопление электростатического сечениям пыли14.

Лабораторные исследования были во многом вызваны эти необычные космических наблюдений для понимания физических процессов зарядки пыли и транспорт. Пыль мобилизации наблюдается в различных условиях плазмы, в которых частицы пыли сарай с стеклянной сфере поверхности15,16, поднимаемый в плазме влагалищ17и записал для перемещения на проведение и изоляционные поверхности18,19,,2021. Однако как частицы пыли могут получить достаточно большой обвинения сечениям или мобилизованы оставалась не ясны. Измерения расходов на отдельные пыли на гладкой поверхности22 и средняя плотность заряда на пыльной поверхности23 погружены в плазме показывают, что обвинения являются слишком мал для частиц пыли по сечениям или мобилизованы.

В предыдущих теорий16,24,-25зарядки только считался происходят в верхнем слое поверхности, которая подвержена непосредственному воздействию УФ или плазмы. Обвинения часто считается чтобы быть распределены равномерно по всей поверхности пыльной, т.е., каждый индивидуальный пыли частиц приобретает такое же количество заряда, описанные в так называемой «общий заряд модель»16. Однако обвинения, рассчитанные на основе этой модели гораздо меньше, чем гравитационной силы. Теория колебаний заряда, что приходится стохастический процесс потоков электронов и ионов к поверхности16,24 показывает временное повышение в электростатических сил, но она остается небольшим по сравнению с Гравитационные силы.

В этом документе лофтинг электрофильтрах пыль и мобилизации продемонстрировал с помощью трех недавно разработали26эксперименты, которые являются важными для понимания пыли транспорта на реголита безвоздушного планетных тел. Эти эксперименты проводятся в условиях термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или УФ-излучения. Эти эксперименты продемонстрировать действенность недавно разработанных «заплата заряда модель»26,27, в котором микрорезонаторах образуются между соседними частицы пыли ниже поверхности может повторно поглощать испускаемого фото и/или вторичных электронов, генерации большой минус расходы на поверхностях соседних частиц пыли. Отвратительный сил между этими отрицательными зарядами может стать достаточно большой, чтобы мобилизовать или поднимите частицы пыли.

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

протокол

1. Вакуумные камеры установки

  1. Место резины изоляционной (толщиной 0,2 см, 5 см в диаметре) с центральным отверстием 1,9 см в диаметре на теплоизоляционные плиты (толщиной 2 см и 20 см в диаметре) (рис. 2a, b). Загрузите изолирующие, неправильной формы частицы пыли (между 10 и 50 мкм в диаметре) в отверстие.
  2. Поместите теплоизоляционные плиты на металлической пластине стоя в центре вакуумной камере. Электрически изолируйте металлическая пластина из камеры с использованием керамических стоек.
  3. Включите вакуумных насосов (turbo насос, подкрепленные механической черновой насос) для достижения базового давлением ~ 10-6 Торр. Демонстрируя эксперименты в цилиндрических вакуумной камере из нержавеющей стали, 50 см в диаметре и высотой 28 см (рис. 2 c).
  4. Запись движения пыли и сечениям с видео камерой на обычной скоростью 30 кадров в секунду (fps) или высокоскоростной (> 2000 fps) камеры. Используйте светодиодные с максимальной освещенности, эквивалентна > 500W травками света производить достаточное количество освещения на частицы пыли для записи видео хорошего качества.
    Примечание: Использование резины является из-за его темный цвет, который минимизирует отражение света на камеру. Светлого цвета пыли должны использоваться для лучшего фотографирование благодаря цветовой контраст темной резиновые поверхности. Пластину толщиной изоляции используется для устранения эффекта электрического поля между поверхностью изоляционные плиты и металлические плита на пыль зарядки и мобилизации. В этой демонстрации были использованы simulant Марс (АО-Марс-1, котор фильтруют средний диаметр 38-48 мкм, плотность массы 1,9 г/см-3 и основной состав SiO2 28), который напоминает общий реголита пыль безвоздушного органов внутренних Солнечная система. Различные другие виды изоляционных частицы пыли были также протестированы, как лунный simulant (АО-1), лунный simulant горцев ("ЛХТ") и чистого кремнезема пыли.

2. воздействие термической плазмы с пучка электронов

  1. Прикрепить накаливания Вольфрам торированного (толщиной 0,1 мм и ~ 3 см длиной) до проходной электрода и установить его на верхней части камеры. Затем насос камеры до базового давления.
  2. Заполните вакуумной камеры с аргоном с давлением ~ 0,5 mTorr.
  3. Включите питания и установите напряжение смещения -120 V к нити накала.
  4. Увеличение напряжения Отопление Отопление текущий ~ 2A до текущих выбросов достигает желаемого значения (несколько мА). Энергичных электронов с энергией 120 eV будет выделяться из нити накала.
    Примечание: Эти электроны пучка, как первичного воздействия нейтральный аргон атомов, заставляя их быть ионизированный и создание плазмы с температурой электрона вокруг 2 eV. Большая часть основного пучка электронов непосредственно достигает пыльной поверхности без столкновений с нейтральными атомами. Частицы пыли, поэтому подвергаются термической плазмы и пучка электронов.
  5. Чтобы показать роль энергичный пучка электронов в пыли транспорта, используйте альтернативные операции создания термической плазмы выше частицы пыли.
    1. Включить альтернативные накаливания в нижней части камеры с напряжения смещения -40 V и выбросов ток до 400 мА (рис. 2a). Первичных электронов, излучаемый накаливания будет остановлена на металлической табличке ниже оскорбительные пластину, на которой частицы пыли отдых (Рисунок 2а, б).
    2. Изменять текущие изменения электрического поля над поверхностью выбросов. Высокий ток создает более высокой плотности плазмы, тоньше оболочкой и таким образом больше электрическое поле.

3. воздействие пучка электронов только

  1. Настройки эксперимента, как описано в выше эксперимент с использованием верхней нити.
  2. Включите верхней нити под базовой давления 10-6 Торр (т.е., газ аргон не кормили в камере). Не Плазма создается в то время как только электроны пучка 120 eV излучаемый бомбардировать накаливания частиц пыли.
  3. Управлять накаливания в двух различных режимах.
    1. Значение напряжения смещения -120 V, а затем увеличить напряжение Отопление до тех пор, пока текущий выбросов достигает несколько мА.
    2. Увеличение напряжения Отопление для достижения желаемого Отопление текущий ~ 2 A, затем увеличить напряжение смещения от 0 V постепенно к -120 V выпустить электронов с током выбросов в нескольких мА.

4. воздействие УФ-излучения

  1. Замените УФ лампы (рис. 2b) и насос вниз палате на базовый давление верхней нити. Используйте Ксеноновая лампа Osram Эксимер, который испускает свет 172 Нм длины волны УФ. Соответствующей энергии фотона-7.2 eV, больше, чем работа функции поверхности пыли (~ 5,5 eV) для того чтобы излучать фотоэлектронов.
    Примечание: Короткие волны УФ, который излучает больше энергии фотонов, как ожидается, создать более обвинений на частицы пыли и поэтому более мобилизации, основанный на пропатчен заряда модель26,27.
  2. Включите в УФ-лампе излучать частицы пыли. В демонстрации, фотонного излучения-40 МВт/см-2 в источнике УФ и ~ 16 МВт/см-2 на пыльной поверхности.

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

Результаты

Набор экспериментов были выполнены с помощью верхней или нижней нити. С установки верхней нити накала, был записан прыжковой частицы пыли (рис. 3a). В противоположность этому частицы пыли оставался в состоянии покоя при использовании нижней нити. Была из...

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

Обсуждение

На протяжении десятилетий проблема транспорта электрофильтрах пыль на реголита безвоздушного органов остается открытым вопрос, как частицы пыли реголита получить достаточно большие сборы стать мобилизация или сечениям. Недавние лабораторные исследования26,

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

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Эта работа была поддержана НАСА/SSERVI института для моделирования плазмы, атмосферы и космической пыли (воздействия) и программой НАСА солнечных систем выработок (номер гранта: NNX16AO81G).

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

Материалы

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

Ссылки

  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.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

134

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены