Name: scattering and absorption of light in planetary regoliths
Uploaded: 2019-07-01T13:00:00
Duration: 11 min 34 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Forskning støttet af EFR'S avancerede Grant 320773. Vi takker laboratoriet for kronologi af det finske naturhistoriske museum for hjælp med prøve karakterisering.

1. måling af lysspredning
<ol><li>
Opsætning af scatterometer til måling (figur 2)
	<ol>
<li>Til at begynde, oprette scatterometer ved at tænde for lyskilden, foto-multiplikator rør (PMTs), og forstærkere. Lad systemet stabilisere i 30 min.</li>
		<li>Juster og centrer hændelses strålen med pinholes. To huller er fastgjort på præ-målte punkter på det roterende breadboard, 180 ° fra hinanden og i samme radius. Centrer strålen på det første hul, og Juster dens vinkel, så lyset også kommer ind gennem det andet hul.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Opsætning af den akustiske prøve levitator
	<ol>
<li>Derefter konfigurerer du den akustiske prøve levitator ved at indsætte mikrofonen i midten af levitator og køre kalibrerings scriptet.</li>
		<li>Kalibrer den akustiske levitator i trinvis rækkefølge ved at måle det akustiske Tryk for hvert arrayelement i det tilsigtede levitation-spot som en funktion af driv spændingen. Brug denne kalibrering til at kompensere for forskelle mellem array kanalerne. Placer kalibrerings mikrofonen ved at centrere dens skygge både i strålen og i en vinkelret stråle, der er skabt med to spejle.</li>
		<li>Beregn køre parametrene for den matrix, der skaber en asymmetrisk akustisk fælde, og forsyne dem med signal genererings elektronik. Dette opnås ved at minimere Gor'kov potentiale25 og tilpasse trykgradienter i levitation spot.</li>
		<li>Foretag derefter en måle oprydning med en tom levitator. Sweep afslører alle signaler genereret af omgivende lys, refleksioner fra omgivelserne, eller elektriske lyde.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Prøvehåndtering, indsættelse og måling
	<ol>
<li>Når den er sat op, skal du bruge en akustisk transparent netskeen til at injicere prøven ind i den akustiske levitator.</li>
		<li>Ved hjælp af et videokamera og optik med høj forstørrelse inspiceres orienteringen og stabiliteten af prøven før og efter sprednings målingerne.</li>
		<li>Styrken og asymmetrien i den akustiske fælde er optimeret for maksimal prøve stabilitet. Derfor er akustisk effekt sat så lavt som muligt.</li>
		<li>Hvis eksemplet er asymmetrisk, skal du rotere det omkring den lodrette akse for at få oplysninger om figuren. Udfør rotationen ved langsomt at ændre justeringen af den akustiske fælde. Under billeddannelse skal du anvende yderligere belysning for at forbedre billedkvaliteten.</li>
		<li>Luk derefter målekammeret for at blokere eksternt lys.</li>
		<li>Ved hjælp af computer grænsefladen skal du vælge stikprøvens retning samt den kantede opløsning og måleområdet. Det indkommende og spredte lys filtreres af lineære polarisatorer, som er motoriserede.</li>
		<li>Kør den automatiserede målings oprydning. Dette vil måle fire punkter for hver vinkel med polarisator retninger af (vandret, vandret), (vandret, lodret), (lodret, lodret), og (lodret, vandret).</li>
		<li>Gentag hvert Sweep tre gange for at eliminere afvigende værdier. Ved asymmetriske prøver gentages målingen ved forskellige prøve retninger.</li>
		<li>Prøven genoprettes efter målingen ved at slukke for det akustiske felt og lade prøven falde på det akustisk gennemsigtige stof. Udfør derefter en anden måle oprydning med Tom levitator for at opdage eventuelle driv ting på grund af de omgivende lysforhold.</li>
		<li>Gem dataene, når du er færdig. Analysér dataene for at beregne Mueller-matrixelementer for hver vinkel gennem lineær kombination af intensiteter ved forskellige polariseringer1
</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. modellering af den mm-store tætpakkede sfæriske medier bestående af sfæriske partikler
<ol><li>For at begynde modellering skal du bruge SSH-adgang til at oprette forbindelse til CSC – IT Center for Science begrænset klynge, Taito.  Download og Kompiler alle de nødvendige programmer, der er forudkonfigureret til Taito ved at køre bash compile.sh.</li>
	<li>Gå ind i arbejdsmappen ved at udføre cd-$WRKDIR.</li>
	<li>Download kilder filer med git (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol2. git protocol2).</li>
	<li>Flyt ind i den nyoprettede mappe- cd protocol2.</li>
	<li>Download og Kompiler nødvendige programmer ved at køre bash compile.sh, som er forudkonfigureret til Taito.</li>
	<li>Derefter skal du åbne tekstredigeringsprogrammet nano og konfigurere parametrene for en enkelt scatterer, Volume element og den har studeret Sample til at matche den har studeret Sample ved at ændre filen params.</li>
	<li>Kør derefter pipeline ved at udføre en Command bash run.sh. Når du er færdig, skrive den fulde Mueller matrix af prøven i mappen Temp som endelig. out.</li>
</ol>3. fortolkning af refleksions spektre for asteroide (4) Vesta
<ol><li>De komplekse brydnings indekser for howardite.
	<ol>
<li>Download SIRIS4 (git klon git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/Siris 4.2. git).</li>
		<li>Kompiler ved at udføre Make i src-mappen. Omdøb den eksekverbare siris42 til siris4.</li>
		<li>I Maingo. f90skal du ændre linje 395 til R0 = 0,05 * Rmax * sqrt (ran2). Kompiler ved at udføre Make.</li>
		<li>Download de nødvendige MATLAB scripts ved at udføre "git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4a. git".</li>
		<li>Kopiér de eksekverbare filer, som er oprettet i trin 3.1.2. og 3.1.3. til JoVEOptimize-folder.</li>
		<li>Gå til mappen JoVEOptimize.</li>
		<li>I input1.in -fil skal du indstille radius til 30 μm for howardite-partikelstørrelsen og fastgøre den virkelige del af brydningsindekset til 1,8. Angiv radius til 15.000 μm i INPUT2.in -fil.</li>
		<li>Estimere de øvre og nedre grænser for den imaginære del af brydnings indeksene, og gem dem i to separate filer. Koden anvender bisectioning-metoden og bruger disse værdier som udgangspunkt.</li>
		<li>I optimizek. m -filen, Angiv filnavne på de øvre og nedre grænser for den imaginære del af brydnings indeksene og filnavnet på det målte refleksions spektrum i howardite pulveret. Indstil bølgelængdeområdet til 0,4 – 2,5 μm med 0,05-μm trin.</li>
		<li>Kør optimizek. m i MATLAB for at få de komplekse brydnings indekser for howardite (Se figur 3). Først, koden beregner spredning egenskaber for 30 μm størrelse (radius) howardite partikler, og derefter bruger disse partikler som diffuse scatterers inde i en 15.000-μm størrelse (radius) volumen. Disse trin gentages for hver bølgelængde, indtil den beregnede reflektans matcher med den målte reflektans.</li>
	</ol></li>
	<li>Modellering reflektans spektrum af Vesta.
	<ol>
<li>
Beregning af de spredningsegenskaber af howardite partikler ved at udnytte SIRIS4
		<ol>
<li>Udnyt SIRIS4 til at beregne de spredningsegenskaber af howardite partikler ved først at flytte SIRIS4 eksekverbare fil til den samme mappe med input-fil og p-matrix-fil.  Kopier derefter input_1. in og pmatrix_1. in fra test mappen.</li>
			<li>I input_1. i, Indstil antallet af stråler til 2.000.000, antallet af prøve partikler til 1000, standardafvigelsen af radius til 0,17, og Power-Law index af korrelationsfunktionen til 3. Indstil derefter den virkelige del af brydningsindekset til 1,8, og brug den imaginære del af brydningsindekset n som beskrevet i tekst protokollen.</li>
			<li>Derefter skal du køre SIRIS4 ved at udføre kommandoen vist her for hver bølgelængde fra 0,4 til 2,5 mikron ved hjælp af en størrelsesinterval på 10 til 200 mikron i diameter med et prøveudtagnings trin på 10 mikrometer.</li>
			<li>Derefter gemme hver beregnede spredning fase matrix P i en pmatrix_x. in fil.  X i filnavnet beskriver bølgelængde tallet og spænder fra 1 til 43 for hver partikelstørrelse. Filen vil indeholde spredningsvinkler samt spredning matrixelementer P11, p12, p22, p33, p34, og p44 for en bølgelængde og partikelstørrelse.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Gennemsnitlig de opnåede spredning matricer, single-spredning albedos, og Mean-fri stier over en Power-Law størrelsesfordeling med et indeks på 3,2 19 , 24.<ol>
<li>Flyt pmatrix-filer til mapper, så hver mappe repræsenterer en partikelstørrelse og indeholder de beregnede p-matricer for alle bølgelængder. Navngiv mapperne Fold1, Fold2,..., foldN, hvor N er antallet af partikelstørrelser.</li>
			<li>Skriv spredning og udryddelse effektivitetsgevinster qSCA og qext, samt den lige-projekteret-område-sfære radius værdier rhit fra outputq-filer i en fil, qscas. dat.</li>
			<li>Gå til mappe JoVEAverage, der blev hentet i trin 3.1.4.</li>
			<li>Flyt mapperne og Qscas. dat til den samme mappe med Avgpowerlaw. m.</li>
			<li>Kør Avgpowerlaw. m i MATLAB. Koden beregner gennemsnitlige spredning matricer, enkelt-spredning albedos, og gennemsnitlig fri-sti længder over en Power-Law størrelsesfordeling med index 3,2.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Computing det endelige spektrum af Vesta ved at udnytte SIRIS4
		<ol>
<li>Brug diffuse scatterers inde i en Vesta-størrelse volumen med et brydningsindeks på 1. I input-fil, bruge den gennemsnitlige enkelt spredning albedos og Mean fri sti længder for interne scatterers.</li>
			<li>Derefter skal du køre SIRIS4 ved hver bølgelængde ved at udføre den kommando, der vises her, hvor X er bølgelængden. Koden læser de gennemsnitlige spredning matricer som input til de interne diffuse scatterers.</li>
			<li>Undersøg den absolutte reflektans i en fasevinkel på 17,4 grader.</li>
			<li>Få Vesta observerede Spectra ved 17,4-graders fasevinkel fra NASA Planetary data system26.</li>
			<li>Skala Vesta observerede spektre til en geometrisk albedo værdi på 0,42327 ved 0,55 mikron27. For at komme til 17,4 grader skal du anvende en faktor på 0,491 på den skalerede Spectra28. Sammenlign både de modelleret og de observerede spektre på tværs af hele bølgelængdeområdet.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>4. fotometrisk og polarimetrisk modellering af (4) Vesta
<ol><li>
Beregning af spredningsegenskaber for volumen elementer, der indeholder Voronoi-formede howardite partikler
	<ol>
<li>Forbind til CSC – IT Center for Science Ltd. s Cluster Taito via SSH-adgang.</li>
		<li>Gå ind i arbejdsmappen ved at udføre cd-$WRKDIR.</li>
		<li>Download kildefilerne (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/jvie_t_matrix. git).</li>
		<li>Kompiler ved at udføre Make i mappen-.</li>
		<li>Generer volumen elementer, der indeholder Voronoi-formede howardite partikler ved hjælp af en MATLAB-kode voronoi_element. m. I voronoi_element. m, Indstil bølgelængden til 0,45 μm, N_elems til 128, størrelsesparameteren (elem_ka) til 10, Power-Law index til 3, mindste partikel radius til 0,143 μm, maksimal partikel radius til 0,35 μm, pakningstæthed til 30%, og brug det afledte komplekse brydningsindeks for howardite.</li>
		<li>Kør voronoi_element. m i MATLAB. Koden genererer 128 mesh-filer til volumen-elementer med forskellige Voronoi-partikel-justeringer ved hjælp af Power-Law størrelsesfordeling.</li>
		<li>Beregn T-matricer for de genererede diskenheder ved hjælp af jvie. I runarray_JVIE_T. sh, sæt array = 1-128. Paramaterne er k = 13,962634, mesh = navnet på den genererede maske i 4.1.6, T_out = navnet på output T-matrix, T_matrix = 1, og elem_ka = 10.</li>
		<li>Kør JVIE ved at udføre sbatch runarray_JVIE_T. sh.</li>
		<li>Beregne gennemsnitligt spredningsegenskaber fra T-matricer beregnet med jvie-koden. Execute ./Multi_t-N_Tin 128 i den samme mappe, hvor de beregnede T-matricer er. Koden skriver den gennemsnitlige inkohærente Mueller-matrix til og tværsnittene og albedo i output. txt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
RT-CB-beregninger
	<ol>
<li>Start med at downloade kildefilerne med git (git Clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4b. git protocol4b), og Flyt filerne til den hentede mappe protocol4b.</li>
		<li>Derefter skal du downloade og kompilere alle de nødvendige programmer ved at køre bash compile.sh.</li>
		<li>Når du er klar, kopiere den gennemsnitligt input spredning matrix (trin 3.2.2.5) samt amplitude spredning matrix (trin 4.1.9) i den nuværende arbejdsmappe.</li>
		<li>Derefter skal du åbne teksteditoren, nano og ændre filen params for at indstille de ønskede parametre.</li>
		<li>Kør pipelinen ved at udføre bash Run.sh. Skriv derefter den fulde Mueller-matrix i mappen Temp som rtcb. out.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. fortolkning af bemærkningerne for Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
<ol><li>
Computing usammenhængende volumen elementer med den hurtige superposition T-matrix metode (fastmm) for organisk og partikel korn
	<ol>
<li>Execute ./inkohærent_input – lambda 0,649-m_r 2,0-m_i 0,2-density 0,3-lowB 0,075-upB 0,125-npower 3-S_out pmatrix_org. dat.</li>
		<li>Execute ./inkohærent_input – lambda 0,649-m_r 1,6-m_i 0,0001-density 0,0375-lowB 0,6-upB 1,3-npower 3-S_out pmatrix_sil. dat.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Beregning af den gennemsnitlige inkonsekvente Mueller-matrix (pmatrix.in), albedo (albedo), gennemsnitlig fri kurve (MFP) og sammenhængende effektivt brydningsindeks (m_eff)
	<ol>
<li>Kør MATLAB. Skriv kommandoer: Sorg = belastning (' pmatrix_org. dat '); Ssil = belastning (' pmatrix_sil. dat '); S = (sorg + Ssil)/2; Gem (' pmatrix. in ', s ', '-ASCII '); Csca = (Csca_sil + Csca_org)/2; Cext = (Cext_sil + Cext_org)/2; albedo = Csca/Cext; MFP = vol/Cext; hvor Csca_org og Cext_org er de usammenhængende tværsnit fra trin 5.1.2, og Csca_sil og Cext_sil er de usammenhængende sprednings-og udslettnings tværsnit fra trin 5.1.3.</li>
		<li>Kør ./m_eff (Csca, r) på kommandolinjen for at få m_eff hvor er radius for volumen elementet.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Beregning af spredningsegenskaber for koma partikler.<ol>
<li>Indstil værdierne fra trin 5.2.1 og 5.2.2 (dvs. albedo, MFP, m_eff i input.in -filen).</li>
		<li>Indstil Power-Law Index for korrelations længden til 3,5 i input.in filen.</li>
		<li>Kør SIRIS4 Solver (./siris4 input.in pmatrix.in) for partikelstørrelser fra 5 μm til 100 μm ved hjælp af et trin på 5.</li>
		<li>Output Coma Phase funktioner fra SIRIS4 Solver.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Dataenes spredning af kerne egenskaber
	<ol>
<li>Start i MATLAB og køre gennemsnittet rutine powerlaw_ave. m til gennemsnitlige resultater over Power-Law størrelsesfordeling af index-3 efter beregning af koma fase funktioner (trin 5.3.4) fra SIRIS4 Solver. De forventede rutinemæssige udgange er pmatrix2.in, albedo og den gennemsnitlige frie kurve.</li>
		<li>Dernæst indstille resultaterne fra output, albedo og den gennemsnitlige fri sti, ind i input.in fil.</li>
		<li>Angiv størrelsen til 1.000.000.000 og Power-Law-indekset for korrelationsfunktionen for figuren til 2,5. Kør derefter SIRIS4 ved hjælp af den viste kommandolinje for at få Nucleus Phase-funktionen.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+studies+of+asteroids.+V.+The+light-curve+and+phase+function+of+20+Massalia.">Photometric studies of asteroids. V. The light-curve and phase function of 20 Massalia.</a> Astrophysical Journal. 123, 331-338 (1956).</li><li>Barabashev, N. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Astronomische Nachrichten. 217, 445 (1922).</li><li>Lyot, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recherches+sur+la+polarisation+de+la+lumiere+des+planetes+et+de+quelques+substances+terrestres.">Recherches sur la polarisation de la lumiere des planetes et de quelques substances terrestres.</a> Annales de l&#8217;Observatoire de Paris. 8 (1), 1-161 (1956).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Diffractional+model+of+the+brightness+surge+of+complex+structures.">Diffractional model of the brightness surge of complex structures.</a> Kinematika i fizika nebesnyh tel. 4, 60-66 (1988).</li><li>Shkuratov, Y. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+mechanism+of+the+negative+polarization+of+light+scattered+by+the+surfaces+of+atmosphereless+celestial+bodies.">A new mechanism of the negative polarization of light scattered by the surfaces of atmosphereless celestial bodies.</a> Astronomicheskii vestnik .23. , 176-180 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electromagnetic+scattering+by+two+interacting+dipoles.">Electromagnetic scattering by two interacting dipoles.</a> Proceedings of the 1989 URSI Electromagnetic Theory Symposium. , 428-430 (1989).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Light Scattering by Inhomogeneous Media: Backward Enhancement and Reversal of Polarization. , (1990).</li><li>Muinonen, K., Mishchenko, M. I., Dlugach, J. M., Zubko, E., Penttil&#228;, A., Videen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+numerically+verified+for+a+finite+volume+of+spherical+particles.">Coherent backscattering numerically verified for a finite volume of spherical particles.</a> Astrophysical Journal. 760, 118-128 (2012).</li><li>Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coherent+backscattering+of+light+by+complex+random+media+of+spherical+scatterers:+Numerical+solution.">Coherent backscattering of light by complex random media of spherical scatterers: Numerical solution.</a> Waves in Random Media. 14, 365-388 (2004).</li><li>Mu&#241;oz, O., Volten, H., de Haan, J. F., Vassen, W., Hovenier, J. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+determination+of+scattering+matrices+of+olivine+and+Allende+meteorite+particles.">Experimental determination of scattering matrices of olivine and Allende meteorite particles.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 360, 777-788 (2000).</li><li>Sasse, C., Muinonen, K., Piironen, J., Dr&#246;se, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Albedo+measurements+on+single+particles.">Albedo measurements on single particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 55, 673-681 (1996).</li><li>Gong, Z., Pan, Y. -. L., Videen, G., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+trapping+and+manipulation+of+single+particles+in+air:+Principles,+technical+details,+and+applications.">Optical trapping and manipulation of single particles in air: Principles, technical details, and applications.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 214, 94-119 (2018).</li><li>Nieminen, T. A., du Preez-Wilkinson, N., Stilgoe, A. B., Loke, V. L. Y., Bui, A. A. M., Rubinsztein-Dunlop, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optical+tweezers:+Theory+and+modelling.">Optical tweezers: Theory and modelling.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 146, 59-80 (2014).</li><li>Herranen, J., Markkanen, J., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+interstellar+dust+particles+in+electromagnetic+radiation+fields:+A+numerical+solution.">Dynamics of interstellar dust particles in electromagnetic radiation fields: A numerical solution.</a> Radio Science. 52 (8), 1016-1029 (2017).</li><li>Maconi, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Non-destructive+controlled+single-particle+light+scattering+measurement.">Non-destructive controlled single-particle light scattering measurement.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 159-164 (2018).</li><li>Muinonen, K., Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Peltoniemi, J., Penttil&#228;, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multiple+scattering+of+light+in+discrete+random+media+using+incoherent+interactions.">Multiple scattering of light in discrete random media using incoherent interactions.</a> Optics Letters. 43, 683-686 (2018).</li><li>Markkanen, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scattering+and+absorption+in+dense+discrete+random+media+of+irregular+particles.">Scattering and absorption in dense discrete random media of irregular particles.</a> Optics Letters. 43, 2925-2928 (2018).</li><li>V&#228;is&#228;nen, T., Markkanen, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Radiative+transfer+with+reciprocal+transactions:+Numerical+method+and+its+implementation.">Radiative transfer with reciprocal transactions: Numerical method and its implementation.</a> Public Library of Science One (PLoS One). 14, e0210155 (2019).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Videen, G., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Absolute+spectral+modelling+of+asteroid+(4).">Absolute spectral modelling of asteroid (4).</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 483, 1952-1956 (2019).</li><li>Markkanen, J., Agarwal, J., V&#228;is&#228;nen, T., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interpretation+of+phase+functions+of+the+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+measured+by+the+OSIRIS+instrument.">Interpretation of phase functions of the comet 67P/Churyumov-Gerasimenko measured by the OSIRIS instrument.</a> Astrophysical Journal Letters. 868 (1), L16 (2018).</li><li>Markkanen, J., Yuffa, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fast+superposition+T-matrix+solution+for+clusters+with+arbitrarily-shaped+constituent+particles.">Fast superposition T-matrix solution for clusters with arbitrarily-shaped constituent particles.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 189, 181-188 (2017).</li><li>Markkanen, J., Yl&#228;-Oijala, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Numerical+Comparison+of+Spectral+Properties+of+Volume-Integral-Equation+Formulations.">Numerical Comparison of Spectral Properties of Volume-Integral-Equation Formulations.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 178, 269-275 (2016).</li><li>Lindqvist, H., Martikainen, J., R&#228;bin&#228;, J., Penttil&#228;, A., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ray+optics+for+absorbing+particles+with+application+to+ice+crystals+at+near-infrared+wavelengths.">Ray optics for absorbing particles with application to ice crystals at near-infrared wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 217, 329-337 (2018).</li><li>Martikainen, J., Penttil&#228;, A., Gritsevich, M., Lindqvist, H., Muinonen, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+modeling+of+meteorites+at+UV-vis-NIR+wavelengths.">Spectral modeling of meteorites at UV-vis-NIR wavelengths.</a> Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 204, 144-151 (2018).</li><li>Gor'kov, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+forces+acting+on+a+small+particle+in+an+acoustical+field+in+an+ideal+fluid.">On the forces acting on a small particle in an acoustical field in an ideal fluid.</a> Soviet Physics Doklady. 6, (1962).</li><li>Reddy, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vesta+Rotationally+Resolved+Near-Infrared+Spectra+V1.0.+EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.">Vesta Rotationally Resolved Near-Infrared Spectra V1.0. EAR-A-I0046-3-REDDYVESTA-V1.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2011).</li><li>Tedesco, E. F., Noah, P. V., Noah, M., Price, S. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=IRAS+Minor+Planet+Survey.+IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.">IRAS Minor Planet Survey. IRAS-A-FPA-3-RDR-IMPS-V6.0.</a> NASA Planetary Data System. , (2004).</li><li>Hicks, M. D., Buratti, B. J., Lawrence, K. J., Hillier, J., Li, J. -. Y., Vishnu Reddy, V., Schr&#246;der, S., Nathues, A., Hoffmann, M., Le Corre, L., Duffard, R., Zhao, H. -. B., Raymond, C., Russell, C., Roatsch, T., Jaumann, R., Rhoades, H., Mayes, D., Barajas, T., Truong, T. -. T., Foster, J., McAuley, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectral+diversity+and+photometric+behavior+of+main-belt+and+near-Earth+vestoids+and+(4)+Vesta:+A+study+in+preparation+for+the+Dawn+encounter.">Spectral diversity and photometric behavior of main-belt and near-Earth vestoids and (4) Vesta: A study in preparation for the Dawn encounter.</a> Icarus. 235, 60-74 (2014).</li><li>Weidling, R., G&#252;ttler, C., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free+collisions+in+a+micro-gravity+many-particle+experiment.+I.+Dust+aggregate+sticking+at+low+velocities.">Free collisions in a micro-gravity many-particle experiment. I. Dust aggregate sticking at low velocities.</a> Icarus. 218, 688-700 (2012).</li><li>Blum, J., Beitz, E., Bukhari, M., Gundlach, B., Hagemann, J. -. H., Hei&#223;elmann, D., Kothe, S., Schr&#228;pler, R., von Borstel, I., Weidling, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laboratory+drop+towers+for+the+experimental+simulation+of+dust-aggregate+collisions+in+the+early+solar+system.">Laboratory drop towers for the experimental simulation of dust-aggregate collisions in the early solar system.</a> Journal of Visualized Experiments (JoVE). (88), e51541 (2014).</li><li>Poppe, T., Schr&#228;pler, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Further+experiments+on+collisional+tribocharging+of+cosmic+grains.">Further experiments on collisional tribocharging of cosmic grains.</a> Astronomy &amp; Astrophysics. 438, 1-9 (2005).</li><li>Reddy, V., Sanchez, J. A., Nathues, A., Moskovitz, N. A., Li, J. -. Y., Cloutis, E. A., Archer, K., Tucker, R. A., Gaffey, M. J., Mann, J. P., Sierks, H., Schade, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photometric+spectral+phase+and+temperature+effects+on+Vesta+and+HED+meteorites:+Implications+for+Dawn+mission.">Photometric spectral phase and temperature effects on Vesta and HED meteorites: Implications for Dawn mission.</a> Icarus. 217, 153-168 (2012).</li><li>Gehrels, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Minor+planets.+I.+The+rotation+of+Vesta.+Photometric+studies+of+asteroids.">Minor planets. I. The rotation of Vesta. Photometric studies of asteroids.</a> Astronomical Journal. 72, 929-938 (1967).</li><li>Bertini, I., La Forgia, F., Tubiana, C., G&#252;ttler, C., Fulle, M., Moreno, F., Frattin, E., Kovacs, G., Pajola, M., Sierks, H., Barbieri, C., Lamy, P., Rodrigo, R., Koschny, D., Rickman, H., Keller, H. U., Agarwal, J., A&#39;Hearn, M. F., Barucci, M. A., Bertaux, J. -. L., Bodewits, D., Cremonese, G., Da Deppo, V., Davidsson, B., Debei, S., De Cecco, M., Drolshagen, E., Ferrari, S., Ferri, F., Fornasier, S., Gicquel, A., Groussin, O., Gutierrez, P. J., Hasselmann, P. H., Hviid, S. F., Ip, W. -. H., Jorda, L., Knollenberg, J., Kramm, J. R., K&#252;hrt, E., K&#252;ppers, M., Lara, L. M., Lazzarin, M., Lin, Z. -. Y., Lopez Moreno, J. J., Lucchetti, A., Marzari, F., Massironi, M., Mottola, S., Naletto, G., Oklay, N., Ott, T., Penasa, L., Thomas, N., Vincent, J. -. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+scattering+phase+function+of+comet+67P/Churyumov-Gerasimenko+coma+as+seen+from+the+Rosetta/OSIRIS+instrument.">The scattering phase function of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko coma as seen from the Rosetta/OSIRIS instrument.</a> Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 469, 404-415 (2017).</li></ol>

Forfatterne har intet at afsløre.

Eksperimentelle, teoretiske og beregningsmæssige metoder er blevet præsenteret for let spredning af diskrete tilfældige medier af partikler. De eksperimentelle metoder er blevet udnyttet til at validere de grundlæggende begreber i den teoretiske og beregningsmæssige metoder. Sidstnævnte metoder er blevet anvendt med succes i fortolkningen af astronomiske observationer af asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
Den eksperimentelle scatterometer bygger på ultralydkontrolleret prøve levitation, der giver mulighed for Mueller-matrix målinger for en prøve aggregat i en ønsket retning. Aggregatet kan gentagne gange udnyttes i målingerne, da det er muligt at bevare aggregatet efter hvert målesæt. Det er første gang, at sådanne ikke-kontakt-, ikke-destruktive sprednings målinger udføres på en prøve under fuld kontrol.
De teoretiske og beregningsmæssige metoder er afhængige af de såkaldte usammenhængende sprednings-, absorptions-og udslettelses processer i tilfældige medier. Der henviser til, at de nøjagtige elektromagnetiske interaktioner altid forekommer sammenhængende inden for et uendeligt tilfældigt medium efter konfigurationelt gennemsnit, men kun usammenhængende interaktioner forbliver blandt volumen elementer af partikler. I det nuværende arbejde, er de usammenhængende interaktioner mellem disse elementer præcist tegnede sig for ved hjælp af Maxwell ligninger: efter at trække de sammenhængende felter fra markerne i fri plads, er det de usammenhængende områder inden for det tilfældige medium, der forbliver. Behandlingen er i øjeblikket blevet taget til sin fuldstændig stringens i, at samspillet, samt udryddelse, spredning, og absorption koefficienter af mediet, er afledt inden for rammerne af usammenhængende interaktioner. Desuden har det vist sig, at regnskabsmæssige for de sammenhængende felt virkninger på grænsefladen mellem det frie rum og det tilfældige medium resulterer i en vellykket samlet behandling for et begrænset tilfældigt medium.
Anvendelsen af de teoretiske og beregningsmæssige metoder er blevet illustreret for eksperimentelle målinger af en mm-skala sfærisk prøve aggregat sammensat af submicron-skala sfæriske SiO2 partikler. Ansøgningen viser utvetydigt, at prøven aggregatet skal bestå af en fordeling af partikler med varierende størrelser, i stedet for at være sammensat af ækvisize sfæriske partikler. Der kan være vidtrækkende konsekvenser af dette resultat for karakteriseringen af tilfældige medier: det er plausibelt, at medierne er betydeligt mere komplekse end det, man tidligere har udledt ved hjælp af de mest avancerede karakteriserings metoder.
Den synoptiske fortolkning af spektret for asteroide (4) Vesta på tværs af de synlige og nær-infrarøde bølgelængder samt Vesta s fotometriske og polarimetriske fase kurver ved bølgelængden på 0,45 μm viser, at det er praktisk at anvende de numeriske metoder i begrænse mineral sammensætningerne, partikelstørrelsesfordelinger, samt regolith volumen tæthed fra fjerntliggende astronomiske observationer. Sådanne hentninger forstærkes yderligere af den samtidige fortolkning af de fotometriske fase kurver for Comet 67p/churyumov-gerasimenko vedrørende dens koma og kernen. Endelig er realistisk modellering af den polarimetriske fase kurve på 67P opnået20. Der er store fremtidsudsigter i forbindelse med anvendelsen af de nuværende metoder i fortolkningen af observationer af solsystem objekter som helhed.
Der er fremtidsudsigter for den nuværende kombinerede eksperimentelle og teoretiske fremgangsmåde. Da det er yderst vanskeligt præcist at karakterisere tilfældige medier bestående af inhomogeniteter af sub-bølgelængde-skala, kan kontrollerede Mueller-matrix målinger tilbyde et værktøj til at hente oplysninger om volumen tæthed og partikelstørrelsesfordeling i mediet. Kvantitative inversion af disse fysiske parametre lettes ved hjælp af de nye numeriske metoder.

Asteroider, hale nuclei, og Airless Solar systemobjekter på store er dækket af planetariske regoliths, løse lag af partikler af varierende størrelse, form, og sammensætning. For disse objekter observeres to allestedsnærværende astronomiske fænomener ved små solfasede vinkler (solen-objekt-observatør vinklen). For det første observeres lysstyrken af det spredte lys i den astronomiske størrelses skala for at øge nonlinearly mod nulfasens vinkel, almindeligvis kaldet oppositions effekten1,2. For det andet er det spredte lys delvist lineært polariseret parallelt med sprednings planet (solen-objekt-observatør flyet), almindeligvis kaldet negativ polarisering3. Fænomenerne har manglet kvantitativ tolkning siden slutningen af 19 århundrede for oppositionen effekt og siden begyndelsen af 20 århundrede for den negative polarisering. Deres korrekte fortolkning er en forudsætning for den kvantitative fortolkning af de fotometriske, polarimetriske og spektrometriske observationer af Airless-objekter samt radar spredning fra deres overflader.
Det er blevet foreslået4,5,6,7 , at den sammenhængende backscattering mekanisme (CBM) i flere spredning er i det mindste delvist ansvarlig for de astronomiske fænomener. I CBM, delvise bølger, interagere med de samme scatterers i modsat rækkefølge, altid blande sig konstruktivt i den nøjagtige backscattering retning. Dette skyldes de sammenfaldende optiske stier af de gensidige bølger. I andre retninger, interferensen varierer fra destruktiv til konstruktiv. Konfigurational gennemsnit inden for et diskret tilfældigt medium af partikler resulterer i øget tilbagespredning. Med hensyn til den lineære polarisering, CBM er selektiv og resulterer i negativ polarisering i tilfælde af positivt polariserende enkelt scatterers, en fælles karakteristisk i enkelt spredning (CF. Rayleigh spredning, Fresnel refleksion).
Spredning og absorption af elektromagnetiske bølger (lys) i et makroskopisk tilfældigt medium af mikroskopiske partikler har udgjort et åbent beregningsmæssige problem i planetariske astrofysik8,9. Som illustreret ovenfor har dette resulteret i fraværet af kvantitative inverse metoder til fortolkning af jordbaserede og rumbaserede observationer af solsystem objekter. I det nuværende manuskript præsenteres nye metoder til at bygge bro over kløften mellem observationerne og deres modellering.
Eksperimentelle målinger af spredning ved en lille partikel prøve i en kontrolleret position og orientering (seks frihedsgrader) er forblevet åbne. Sprednings karakteristikaene for enkelt partikler er tidligere blevet målt som ensemble gennemsnit overstørrelse, form og orienterings fordeling10 ved at indføre en partikel gennemstrømning gennem måle volumenet. Scattering egenskaber for enkelt partikler i levitation er blevet udført ved hjælp af, for eksempel, elektrodynamisk levitation11 og optiske pincet12,13,14. I det nuværende manuskript tilbydes en ny Eksperimentel metode baseret på ultralydlevitation med fuld kontrol over prøve positionen og orienteringen15.
Det nuværende manuskript opsummerer resultaterne af et projekt, der blev finansieret i fem år i 2013-2018 af det Europæiske Forskningsråd (ERC): spredning og absorption af elektromagnetiske bølger i partikel medier (SAEMPL, ERC Advanced Grant). Det lykkedes saempl at opfylde sine tre hovedmålsætninger: for det første blev nye numeriske Monte Carlo-metoder afledt for multipel spredning af diskrete tilfældige medier af tætpakkede partikler16,17,18; for det andet blev nye eksperimentelle instrumentering udviklet og konstrueret til kontrollerede laboratoriemålinger af validerings prøver i levitation15; for det tredje blev de numeriske og eksperimentelle metoder anvendt til at fortolke astronomiske observationer19,20.
I det følgende beskrives protokoller til anvendelse af den eksperimentelle sprednings pipeline til målinger, den tilsvarende beregnings pipeline samt applikations pipelines i detaljer. Computational pipeline består af software til asymptotisk nøjagtige beregninger i tilfælde af finite systemer af partikler (superposition T-matrix metode stmm21 og volumen Integral ligning metode viem22) og omtrentlige beregninger for asymptotisk uendelige diskrete tilfældige medier af partikler ved hjælp af flere sprednings metoder (Siris23,24, radiativ overførsel med sammenhængende backscattering rt-CB8,9og Radiativ overførsel med gensidige transaktioner R2T216,17,18). Forsøgs rørledningen omfatter tilberedning, opbevaring og udnyttelse af prøverne, deres levitation i måle volumenet og udførelse af den faktiske sprednings måling i hele spektret af spredningsvinkler med varierende polarisator Konfigurationer. Applikations ledningen vedrører udnyttelsen af de beregningsmæssige og eksperimentelle rørledninger med henblik på at fortolke astronomiske observationer eller eksperimentelle målinger.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>10GL08</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>Calcite polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12X Zoom Body Tube 1-50487AD</td>
			<td>Navitar</td>
			<td></td>
			<td>Microscope objective</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>43-412-000</td>
			<td>Edmund optics</td>
			<td></td>
			<td>Optical flat</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MPR16-1</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motorized Polarizer Rotator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8MRB240-152-59D</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>8SMC5-ETHERNET</td>
			<td>Standa</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digi-pas DWL3500XY</td>
			<td>Digi-pas</td>
			<td></td>
			<td>Digital 2-axis level</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMT 65-D25-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Optics rotation stage</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EQ-99 LDLS</td>
			<td>Energetiq</td>
			<td></td>
			<td>Light source</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FL488-10</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Laser line filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IBM 65-D0-35-HiDS</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motorized iris shutter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LPVISE100-A</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Film polarizer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>microPMT H12403-01</td>
			<td>Hamamatsu</td>
			<td></td>
			<td>Photomultiplier tube</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-5171R</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>Digital oscilloscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NI PXIe-8880</td>
			<td>National Instruments</td>
			<td></td>
			<td>PXIe chassis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phantom v611</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td></td>
			<td>High speed camera</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PS 10-32-DC</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Motor controller</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RC08FC-P01</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>Fiber collimator</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SET-NDF-D22-G25</td>
			<td>Owis</td>
			<td></td>
			<td>Neutral density filter</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIA60</td>
			<td>Thorlabs</td>
			<td></td>
			<td>PMT amplifier</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

scattering and absorption of light in planetary regoliths

Teoretiske, numeriske og eksperimentelle metoder præsenteres for multipel spredning af lys i makroskopiske diskrete tilfældige medier af tætpakkede mikroskopiske partikler. De teoretiske og numeriske metoder udgør en ramme for den radiative overførsel med gensidige transaktioner (R2T2). R2T2 Framework indebærer Monte Carlo Order-of-scattering sporing af interaktioner i frekvens rummet, forudsat at de grundlæggende scatterers og absorbere er bølgelængde-skala volumen elementer bestående af et stort antal tilfældigt distribuerede partikler. De diskrete tilfældige medier er fuldt pakket med volumen elementerne. For sfæriske og nonsfæriske partikler beregnes samspillet inden for volumen elementerne nøjagtigt ved hjælp af henholdsvis superposition T-matrix metoden (stmm) og volumen Integral Lignings metoden (viem). For begge partikel typer beregnes samspillet mellem forskellige volumen elementer nøjagtigt ved hjælp af STMM. Da vektoriseringen finder sted inden for de diskrete tilfældige medier, anvendes usammenhængende elektromagnetiske felter, det er, at det sammenhængende felt af volumen elementerne fjernes fra samspillet. De eksperimentelle metoder er baseret på akustisk levitation af prøverne for ikke-kontakt, ikke-destruktiv spredning målinger. Levitation indebærer fuld ultralyds kontrol af prøve positionen og orienteringen, det er seks grader af frihed. Lyskilden er en laser drevet hvid lyskilde med en mono kromator og polarisator. Detektoren er et mini-Photomultiplier-rør på et roterende hjul, der er udstyret med polarisatorer. R2T2 er valideret ved hjælp af målinger for en mm-skala sfærisk prøve af tætpakkede sfæriske silica-partikler. Efter validering anvendes metoderne til at fortolke astronomiske observationer for asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko (figur 1) for nylig BESØGT af NASA Dawn mission og ESA Rosetta mission, hhv.

Watch this Scientific Journal Video about Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths at JoVE.com

Scattering And Absorption of Light in Planetary Regoliths

Numeriske og eksperimentelle metoder er præsenteret for flere spredning af lys i diskrete tilfældige medier af tætpakkede partikler. Metoderne er udnyttet til at fortolke observationer af asteroide (4) Vesta og Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko.

Spredning og absorption af lys i planetariske Regoliths

Theoretical, numerical, and experimental methods are presented for multiple scattering of light in macroscopic discrete random media of densely-packed ...

Metoderne i denne protokol kan hjælpe med at løse det åbne beregningsmæssige problem med lyssprændelse af planetariske regoliths, tætpakkede lag af partikler på overfladen af asteroider, der går gennem kerner og andre solsystemobjekter. For at validere beregningerne introducerer vi unikke ikke-kontaktende og ikke-destruktive målinger baseret på ultralydsprøve levitation. Vi har fuld kontrol over prøveposition og orientering.Her anvender vi validerede beregningsmetoder til at fortolke observationer af asteroide 4 Vesta og 67P/Churyumov-Gerasimenko. Beregnings- og forsøgsmetoderne er universelle og kan for eksempel anvendes i terrestrisk telemåling, nanoskalamaterialevidenskab og biomedicinsk optik. Brug af disse metoder kræver tålmodighed.Indsatsen betaler sig imidlertid på grund af resultatets absolutte og kvantitative karakter. Visuel demonstration af metoderne er afgørende. Den eksperimentelle del vist i denne video kombinerer state-of-the-art teknikker i både optik og akustik.Demonstration af proceduren vil være Dr.Antti Penttila, Ms Julia Martikainen, Mr.Petteri Helander, Mr.Goran Maconi, og Mr.Timo Vaisanen. Til at begynde med skal du oprette scatterometeret ved at tænde for lyskilden, fotomultiplikatorrørene og forstærkere. Lad systemet stabilisere sig i 30 minutter.Derefter skal du konfigurere den akustiske prøve levitator ved at indsætte mikrofonen i midten af levitator og kører kalibrering script. Lav derefter en målingsfejning med en tom levitator. Feje afslører eventuelle signaler genereret af omgivende lys, refleksioner fra omgivelserne eller elektriske lyde.Når du er konfigureret, skal du bruge en akustisk gennemsigtig netske til at injicere prøven i den akustiske levitator. Ved hjælp af et videokamera og høj forstørrelse optik, inspicere orientering og stabiliteten af prøven før og efter spredning målinger. Den akustiske fældes styrke og assymetri er optimeret til maksimal prøvestabilitet.Derfor er den akustiske effekt indstillet så lavt som muligt. Hvis eksemplet er asymmetrisk, skal du rotere det rundt om den lodrette akse for at få oplysninger om dets form. Udfør rotationen ved langsomt at ændre justeringen af den akustiske fælde.Brug yderligere belysning under billedbehandling for at forbedre billedkvaliteten. Luk derefter målekammeret for at blokere eksternt lys. Ved hjælp af computergrænsefladen skal du vælge prøvens retning samt den vinkelopløsning og måleområdet.Det indgående og det spredte lys filtreres af lineære polarisatorer, som er motoriserede. Kør den automatiske målingsfejning. Dette vil måle fire punkter for hver vinkel med polarisatorretninger af vandret-vandret, vandret-lodret, lodret-lodret og lodret-vandret.Prøven genvind efter målingen ved at slukke for det akustiske felt og lade prøven falde på det akustisk gennemsigtige stof. Udfør derefter en anden målingsfejning med en tom levitator for at detektere eventuelle drivende på grund af de omgivende lysforhold. Når du er færdig, skal du gemme dataene.Analysér dataene for at beregne Mueller-matrixelementer for hver vinkel gennem lineær kombination af intensiteter ved forskellige polariseringer. For at begynde modellering, skal du bruge SSH adgang til at oprette forbindelse til CSC IT Center for videnskab begrænset klynge Taito. Download og kompilere alle de nødvendige programmer, som er præ-konfigureret til Taito ved at køre bash compile.sh.Åbn derefter teksteditoren Nano, og konfigurer parametrene for en enkelt scatterer, volumenelement og den undersøgte prøve, så den passer til den undersøgte prøve ved at ændre filen PARAMS. Kør derefter rørledningen ved at udføre kommando bash run.sh. Når du er færdig, skal du skrive den fulde Mueller-matrix af prøven i temp-mappen som final.out.Brug Siris4 til at beregne spredningsegenskaberne for howardite-partikler ved først at flytte den eksekverbare Siris4-fil til den samme mappe med inputfilen og P-matrixfilen. Kopier derefter input_1. i og pmatrix_1.ind fra testmappen. I input_1. i, indstille antallet af stråler til to millioner, antallet af prøvepartikler til 1.000, standardafvigelsen for radius til 0,17, og magt lov indeks af korrelationen funktion til tre.Indstil derefter den virkelige del af brydningsindekset til 1,8, og brug den imaginære del af brydningsindekset n som beskrevet i tekstprotokollen. Kør derefter Siris4 ved at udføre den kommando, der vises her for hver bølgelængde fra 0,4 til 2,5 mikron ved hjælp af et størrelsesområde på 10 til 200 mikron i diameter med et prøvetagningstrin på 10 mikron. Gem derefter hver beregnet spredningsfasematrix p i en pmatrix_x.i filen. X'et i filnavnet beskriver bølgelængdenummeret og varierer fra en til 43 for hver partikelstørrelse. Filen vil indeholde spredning vinkler samt spredning matrix elementer P11, P12, P22, P33, P34, og P44 for en bølgelængde og partikelstørrelse.Gennemsnit de opnåede spredning matricer, enkelt spredning Albedos, og betyder frie stier over en magt lov størrelse distribution med et indeks på 3,2. Brug spredte spredere inde i en Vesta-størrelse volumen med et brydningsindeks på en. I inputfilen skal du bruge den gennemsnitlige enkeltspittering Albedos og gennemsnitlige fri stilængder for interne spredere.Kør derefter Siris4 ved hver bølgelængde ved at udføre den kommando, der vises her, hvor x er bølgelængden. Koden læser den gennemsnitlige spredning matricer som sit input til de interne spredte scatterers. Skala Vestas observerede spektre til en geometrisk Albedo-værdi på 0,42327 ved 0,55 mikron.For at komme til 17,4 grader, anvende en faktor på 0,491 på skaleret spektre. Sammenlign både den modellerede og den observerede spektre på tværs af hele bølgelængdeområdet. Start med at hente kildefilerne med Git og flyt filerne til den downloadede mappe cd protocol4b.Dernæst downloade og kompilere alle de nødvendige programmer ved at køre bash compile.sh. Når du er klar, skal du kopiere den gennemsnitlige inputspitteringsmatrix samt amplitudespndematrixen til den aktuelle arbejdsmappe. Åbn derefter teksteditoren Nano, og rediger filen PARAMS for at indstille de ønskede parametre.Kør rørledningen ved at udføre bash run.sh. Skriv derefter den fulde Mueller matrix i temp mappe som rtcb.out. Start i MATLAB og køre den gennemsnitlige rutine powerlaw_ave.m til gennemsnit resultaterne over magt lov størrelse fordeling af indekset minus tre efter beregning af koma fase funktioner fra Siris4 solver. De forventede rutinemæssige udgange er pmatrix2. i Albedo og den gennemsnitlige frie vej.Dernæst indstille resultaterne fra udgange Albedo og den gennemsnitlige frie vej ind i input. i filen. Indstil størrelsen til en milliard og sæt magt lov indekset for korrelationen funktion for formen til 2,5.Kør derefter Siris4 ved hjælp af den kommandolinje, der vises her, for at opnå kernefasefunktionen. Med Siris4 blev spredningsegenskaberne på 100.000 aggregater løst og i gennemsnit. Disse resultater afbildes her, der viser de eksperimentelle målinger og en ekstra simulering uden det effektive medie.Begge valg for partikelfordelingen gav et match til den målte fasefunktion, selv om de resulterer i forskellige polariseringsegenskaber. Disse forskelle kan bruges til at identificere den underliggende fordeling af partiklerne i prøven. Det bedste valg er at bruge den afkortede normale fordeling i stedet for de ækvivalerede partikler.Hvis der kun anvendes normaliserede fasefunktioner, giver de to fordelinger ikke muligt at skelne mellem resultater. Til depolariseringen har de numeriske resultater funktioner, der svarer til den målte kurve, men funktionerne flyttes med 10 grader til den bagvejsretning. Forskellene i polariseringen indikerer, at prøven formentlig har en mere kompleks struktur end den homogene model.Det er dog ud over de eksisterende mikroskopiske metoder til prøve karakterisering for at hente den sande struktur af den samlede. Her er den fotometriske fasekurve blevet ledsaget af den lineære afhængighed af den størrelsesorden, der efterligner effekten af skygge i en tætpakket høj Albedo regolith. Modellen forklarer med succes de observerede fotometriske og polarimetriske fasekurver og giver en realistisk forudsigelse for den maksimale polarisering.Det er slående, hvordan minut brøkdel af den lille partikelpopulation er i stand til at udfylde forklaringen af fase kurver. Når du udfører dette eksperiment, er ultralydprøve levitation nøglen til vellykkede spredningsmålinger. I den beregningsmæssige del er den usammenhængende behandling af spredning inden for partikelmediet afgørende.I fremtiden planlægger vi at udvide forsøgsmetoderne til både større og mindre prøver, der når ind i centimeter- og mikrometerskalaer. Vi er i øjeblikket ved at udvikle måder at udnytte fuld ultralyd prøve kontrol i mikroskoper. Tag passende forholdsregler, når du udfører denne protokol som kraftfulde ultralyd og lyskilder udnyttes i disse målinger.

Research

JoVE Journal

Engineering

Measuring Spatially- and Directionally-varying Light Scattering from Biological Material

Måling rumligt og retningsbestemt-varierende lysspredning fra biologisk materiale

Light interacts with an organism's integument on a variety of spatial scales. For example in an iridescent bird: nano-scale structures produce color; the ...

Simulation of the Planetary Interior Differentiation Processes in the Laboratory

Simulering af Planetary Interiør differentieringsprocesser i laboratoriet

A planetary interior is under high-pressure and high-temperature conditions and it has a layered structure. There are two important processes that led to ...

Real-Time DC-dynamic Biasing Method for Switching Time Improvement in Severely Underdamped Fringing-field Electrostatic MEMS Actuators

Real-Time DC-dynamisk Prioritering Metode til Switching Time Forbedring Alvorligt Underdamped Fringing-felt Elektrostatiske MEMS aktuatorer

Mechanically underdamped electrostatic fringing-field MEMS actuators are well known for their fast switching operation in response to a unit step input ...

Measurement of Scattering Nonlinearities from a Single Plasmonic Nanoparticle

Måling af Spredning ulineariteter fra en enkelt plasmoniske Nanopartikel

Plasmonics, which are based on the collective oscillation of electrons due to light excitation, involve strongly enhanced local electric fields and thus ...

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Udskrivning Fabrikation af Bulk heterojunction solceller og<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologi Karakterisering

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Free-form Light Actuators &#8212; Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light Actuators ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Â Fabrication and Control of Actuation in Microscopic Scale

Free-form Light aktuatorer - Fabrikation og Kontrol af aktivering i Mikroskopisk Scale

Liquid crystalline elastomers (LCEs) are smart materials capable of reversible shape-change in response to external stimuli, and have attracted ...

Stimulated Stokes and Antistokes Raman Scattering in Microspherical Whispering Gallery Mode Resonators

Stimuleret Stokes og Antistokes Raman Scattering i mikrosfæriske hviskegallerimodus Resonatorer

Dielectric microspheres can confine light and sound for a length of time through high quality factor whispering gallery modes (WGM). Glass microspheres ...

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler SLPS Based Methodology to Quantitatively Evaluate Forward and Backward Light Scattering from Intraocular Lenses

Scanning Light Scattering Profiler (SLPS) -baseret metode til kvantitativ evaluering af fremadrettet og bagudlysudspredning fra intraokulære linser

The scanning light scattering profiler (SLSP) methodology has been developed for the full-angle quantitative evaluation of forward and backward light ...