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

Onderzoek ondersteund door de ERC Advanced Grant no 320773. We danken het laboratorium voor chronologie van het Finse Natuurhistorisch Museum voor hulp bij het karakteriseren van monsters.

1. lichtverstrooiings meting
<ol><li>
De Scatterometer voor meting instellen (Figuur 2)
	<ol>
<li>Om te beginnen, de Scatterometer instellen door het inschakelen van de lichtbron, Photo-multiplier tubes (PMTs), en versterkers. Laat het systeem 30 minuten stabiliseren.</li>
		<li>Uitlijnen en centreren van de incident straal met gaatjes. Twee gaatjes worden bevestigd op vooraf gemeten punten op het roterende breadboard, 180 ° uit elkaar en op dezelfde straal. Plaats de balk op het eerste pinhole en pas de hoek zo aan dat het licht ook door het tweede pinhole gaat.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Het akoestische monster levitator instellen
	<ol>
<li>Stel vervolgens de akoestische monster levitator in door de microfoon in het midden van de levitator te plaatsen en het kalibratie script uit te voeren.</li>
		<li>Kalibreer de gefaseerde array akoestische levitator door de akoestische druk voor elk array element in de beoogde levitatie spot te meten als functie van de rijspanning. Gebruik deze kalibratie om verschillen tussen de matrix kanalen te compenseren. Plaats de kalibratie microfoon door de schaduw te centreren, zowel in de straal als in een loodrechte straal die is gemaakt met twee spiegels.</li>
		<li>Bereken de rijparameters voor de array die een asymmetrische akoestische val creëren en leveren aan de signaal generatie elektronica. Dit wordt bereikt door het minimaliseren van de Gor'kov potentiaal25 en het uitlijnen van de druk gradiënten in de levitatie spot.</li>
		<li>Maak vervolgens een meet sweep met een lege levitator. De sweep onthult alle signalen gegenereerd door omgevingslicht, reflecties uit de omgeving, of elektrische geluiden.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Voorbeeld verwerking, inbrengen en meten
	<ol>
<li>Gebruik na het instellen een akoestisch transparante mesh-lepel om het monster in de akoestische levitator te injecteren.</li>
		<li>Inspecteer de oriëntatie en de stabiliteit van het monster voor en na de verstrooiings metingen met behulp van een videocamera en een high-vergrotings optiek.</li>
		<li>De sterkte en asymmetrie van de akoestische trap zijn geoptimaliseerd voor maximale monster stabiliteit. Hierdoor wordt het akoestische vermogen zo laag mogelijk ingesteld.</li>
		<li>Als het monster asymmetrisch is, draait u het rond de verticale as om informatie over de vorm te krijgen. Voer de rotatie uit door de uitlijning van de akoestische trap langzaam te wijzigen. Terwijl Imaging, extra verlichting toepassen om de beeldkwaliteit te verbeteren.</li>
		<li>Sluit vervolgens de meetkamer om het externe licht te blokkeren.</li>
		<li>Selecteer met behulp van de computer interface de oriëntatie van het monster, evenals de hoekresolutie en het bereik van de meting. Het inkomende en het verstrooide licht worden gefilterd door lineaire polarisatoren, die gemotoriseerd zijn.</li>
		<li>Voer de geautomatiseerde meet sweep uit. Dit meet vier punten voor elke hoek met polarisator oriëntaties van (horizontaal, horizontaal), (horizontaal, verticaal), (verticaal, verticaal) en (verticaal, horizontaal).</li>
		<li>Herhaal elke sweep drie keer om uitschieters te elimineren. Voor asymmetrische samples herhaalt u de meting bij verschillende monster oriëntaties.</li>
		<li>Herstel het monster na de meting door het akoestische veld uit te schakelen en het monster op de akoestisch transparante stof te laten vallen. Vervolgens voert u een andere meet sweep uit met een lege levitator om eventuele driften te detecteren door de omgevingslichtomstandigheden.</li>
		<li>Sla de gegevens op wanneer u klaar bent. Analyseer de gegevens om de Mueller-matrixelementen voor elke hoek te berekenen door middel van een lineaire combinatie van intensiteiten bij verschillende polarisaties1
</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. modelleren van de mm grote, dichtverpakte sferische media bestaande uit sferische deeltjes
<ol><li>Om te beginnen met modelleren, SSH-toegang gebruiken om verbinding te maken met het CSC-IT Center for Science Limited cluster, Taito.  Download en Compileer alle vereiste Programma's die vooraf zijn geconfigureerd voor Taito door bash compile.shuit te voeren.</li>
	<li>Ga naar de werkmap door cd- $WRKDIRuit te voeren.</li>
	<li>Download bronnen bestanden met Git (git clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol2. git protocol2).</li>
	<li>Ga naar de nieuw gemaakte Directory- cd protocol2.</li>
	<li>Download en compileer vereiste Programma's door bash compile.shuit te voeren, die vooraf zijn geconfigureerd voor Taito.</li>
	<li>Open vervolgens de teksteditor nano en stel de parameters in voor een enkele scatterer, volume-element en het bestudeerde monster om het bestudeerde voorbeeld te koppelen door het bestand paramste wijzigen.</li>
	<li>Voer pijplijn uit door een opdracht bash run.sh uit te voeren. Wanneer u klaar bent, schrijft u de volledige Mueller-matrix van het monster in de map Temp als Final. out.</li>
</ol>3. interpretatie van de reflectantie Spectra voor asteroïde (4) Vesta
<ol><li>Het afleiden van de complexe brekingsindices voor howardite.
	<ol>
<li>Download SIRIS4 (git clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/Siris 4.2. git).</li>
		<li>Compileren door het uitvoeren van maken in de src-map. Wijzig de naam van het uitvoerbare siris42 in siris4.</li>
		<li>In Maingo. F90, verander lijn 395 in R0 = 0,05 * Rmax * sqrt (ran2). Compileren door uitvoering maken.</li>
		<li>Download de benodigde MATLAB-scripts door "git clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4a. git" uit te voeren.</li>
		<li>Kopieer de uitvoerbare bestanden die in stap 3.1.2 zijn gemaakt. en 3.1.3. naar JoVEOptimize-map.</li>
		<li>Ga naar map JoVEOptimize.</li>
		<li>In input1.in bestand, stel de straal in op 30 μm voor de deeltjesgrootte van de howardite, en bevestig het echte deel van de brekingsindex 1,8. Stel in input2.in bestand de straal in op 15.000 μm.</li>
		<li>Schat de boven-en ondergrenzen voor het imaginaire deel van de brekingsindices en sla ze op in twee afzonderlijke bestanden. De code gebruikt de bisectioning-methode en gebruikt deze waarden als uitgangspunt.</li>
		<li>Stel in het bestand optimizek. m de bestandsnamen in van de boven-en ondergrenzen van het imaginaire deel van de brekingsindices en de bestandsnaam van het gemeten reflectie spectrum van het howardite-poeder. Stel het golflengtebereik in op 0,4 – 2,5 μm met een stappen van 0,05 μm.</li>
		<li>Voer optimizek. m in MATLAB uit om de complexe brekingsindices voor howardite te verkrijgen (Zie Figuur 3). Eerste, de code berekent verstrooiing eigenschappen voor 30-μm formaat (RADIUS) howardite deeltjes, en vervolgens gebruikt deze deeltjes als diffuse scatterers in een 15.000-μm formaat (RADIUS) volume. Deze stappen worden herhaald voor elke golflengte totdat de berekende reflectie overeenkomt met de gemeten reflectiefactor.</li>
	</ol></li>
	<li>Modellering van het reflectantie spectrum van Vesta.
	<ol>
<li>
Het berekenen van de verstrooiings eigenschappen van howardite-deeltjes door gebruik te maken van SIRIS4
		<ol>
<li>Gebruik SIRIS4 om de verstrooiings eigenschappen van howardite-deeltjes te berekenen door het SIRIS4 uitvoerbare bestand eerst naar dezelfde map te verplaatsen met het invoerbestand en het p-matrix-bestand.  Kopieer vervolgens de input_1. in en pmatrix_1. in uit de testmap.</li>
			<li>Stel in input_1 het aantal stralen inop 2.000.000, het aantal monster deeltjes tot 1000, de standaarddeviatie van radius tot 0,17 en de Power-Law index van de correlatiefunctie naar 3. Stel vervolgens het werkelijke deel van de brekingsindex op 1,8 en gebruik het imaginaire deel van de brekingsindex n zoals beschreven in het tekst protocol.</li>
			<li>Voer vervolgens SIRIS4 uit door de opdracht uit te voeren die hier wordt weergegeven voor elke golflengte van 0,4 tot 2,5 micron met een groottebereik van 10 tot 200 micron in diameter met een bemonsterings stap van 10 micron.</li>
			<li>Sla vervolgens elke berekende verstrooiings fase matrix P op in een bestand pmatrix_x. in .  De x in de bestandsnaam beschrijft het golflengte getal en varieert van 1 tot 43 voor elke deeltjesgrootte. Het bestand bevat zowel de verstrooiings hoeken als de verstrooiings matrixelementen p11, p12, p22, p33, p34 en p44 voor één golflengte en deeltjesgrootte.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Gemiddelde de verkregen verstrooiings matrices, enkelvoudige verstrooiing albedos, en Mean-vrije paden over een macht-Law grootteverdeling met een index van 3,2 19 , 24.<ol>
<li>Verplaats de pmatrix-bestanden naar mappen zodat elke map één deeltjesgrootte vertegenwoordigt en de berekende p-matrices voor alle golflengten bevat. Noem de mappen fold1, fold2,..., foldN, waarbij N het aantal deeltjesgroottes is.</li>
			<li>Schrijf de verstrooiings-en extinctie-efficiëntie qSCA en qext, evenals de gelijke-geprojecteerde-Area-Sphere RADIUS-waarden die r van de outputq-files heeftbereikt in één bestand, qscas. dat.</li>
			<li>Ga naar map JoVEAverage die is gedownload in stap 3.1.4.</li>
			<li>Verplaats de mappen en Qscas. dat naar dezelfde map met Avgpowerlaw. m.</li>
			<li>Voer Avgpowerlaw. m uit in MATLAB. De code berekent gemiddelde verstrooiings matrices, enkelvoudige verstrooiing albedos, en gemiddelde vrije-pad lengtes over een Power-Law grootteverdeling met index 3,2.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
Het berekenen van het laatste spectrum van Vesta door gebruik te maken van SIRIS4
		<ol>
<li>Gebruik diffuse scatterers in een volume van Vesta-formaat met een brekingsindex van 1. Gebruik in het invoerbestand de gemiddelde enkelvoudige-verstrooiing albedos en bedoel vrije padlengtes voor interne scatterers.</li>
			<li>Voer vervolgens SIRIS4 uit op elke golflengte door de hier getoonde opdracht uit te voeren, waarbij X de golflengte is. De code leest de gemiddelde verstrooiings matrices als input voor de interne diffuse scatterers.</li>
			<li>Bestudeer de absolute reflectiefactor bij een fasehoek van 17,4 graden.</li>
			<li>Verkrijg de waargenomen spectra van Vesta op 17,4-graden fasehoek van het NASA planetaire data systeem26.</li>
			<li>Schaal de waargenomen spectra van Vesta op een geometrische albedo-waarde van 0,42327 bij 0,55 micron27. Om 17,4 graden te bereiken, moet u een factor 0,491 toepassen op de geschaalde Spectra28. Vergelijk zowel de gemodelleerde als de waargenomen Spectra over het gehele golflengtebereik.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>4. fotometrische en polarimetrische modellering van (4) Vesta
<ol><li>
Computerverstrooiings eigenschappen voor volume-elementen die Voronoi-vormige howardite-deeltjes bevatten
	<ol>
<li>Maak verbinding met het CSC-IT Center for Science Ltd. cluster Taito via SSH-toegang.</li>
		<li>Ga naar de werkmap door cd- $WRKDIRuit te voeren.</li>
		<li>Download de bronbestanden (git clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/jvie_t_matrix. git).</li>
		<li>Compileren door het uitvoeren van maken in de-map.</li>
		<li>Genereer volume-elementen die Voronoi-vormige howardite-deeltjes bevatten met behulp van een MATLAB-code voronoi_element. m. Stel in voronoi_element. m de golflengte in op 0,45 μm, N_elems tot 128, de grootte parameter (elem_ka) tot 10, de energie-index op 3, de minimale deeltjes straal tot 0,143 μm, de maximale straal van de deeltjes tot 0,35 μm, de verpakkings dichtheid tot 30% en gebruik de afgeleide complexe brekingsindex voor howardite.</li>
		<li>Voer voronoi_element. m in MATLAB uit. De code genereert 128 mesh-bestanden voor volume-elementen met verschillende Voronoi-partikel realisaties met behulp van de Power-Law grootteverdeling.</li>
		<li>Bereken T-matrices voor de gegenereerde volume-elementen met behulp van jvie. Stel in runarray_JVIE_T. sharray in = 1-128. De paramaters zijn k = 13,962634, mesh = naam van het gegenereerde gaas in 4.1.6, T_out = naam van de output T-matrix, T_matrix = 1, en elem_ka = 10.</li>
		<li>Voer JVIE uit door sbatch runarray_JVIE_T. shuit te voeren.</li>
		<li>Bereken de gemiddelde verstrooiings eigenschappen van de T-matrices berekend met de jvie-code. Execute ./Multi_t-N_Tin 128 in dezelfde map waar de berekende T-matrices zijn. De code schrijft de gemiddelde incoherente Mueller-matrix in en de dwarsdoorsneden en albedo in output. txt.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
RT-CB berekeningen
	<ol>
<li>Begin met het downloaden van de bronnen bestanden met Git (git clone git@bitbucket.org: planetarysystemresearch/protocol4b. git protocol4b) en verplaats de bestanden naar de gedownloade Directory protocol4b.</li>
		<li>Download en compileer vervolgens alle vereiste Programma's door bash compile.shuit te voeren.</li>
		<li>Wanneer u klaar bent, kopieert u de gemiddelde invoerverstrooiings matrix (stap 3.2.2.5) en de amplitude verstrooiings matrix (stap 4.1.9) naar de huidige werkmap.</li>
		<li>Open vervolgens de teksteditor, nano, en wijzig het bestand params om de gewenste parameters in te stellen.</li>
		<li>Voer de pijplijn uit door bash run.shuit te voeren. Vervolgens schrijft u de volledige Mueller-matrix in de map Temp als RTCB. out.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. uitlegging van de opmerkingen voor komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
<ol><li>
Het berekenen van onsamenhangende volume elementen met de snelle superpositie T-Matrixmethode (FastMM) voor de organische en deeltjes korrels
	<ol>
<li>Uitvoeren ./incoherent_input – lambda 0,649-m_r 2,0-m_i 0,2-dichtheid 0,3-lowB 0,075-upB 0,125-npower 3-S_out pmatrix_org. dat.</li>
		<li>Uitvoeren ./incoherent_input – lambda 0,649-m_r 1,6-m_i 0,0001-dichtheid 0,0375-lowB 0,6-upB 1,3-npower 3-S_out pmatrix_sil. dat.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Berekenen van de gemiddelde incoherente Mueller-matrix (pmatrix.in), Albedo (albedo), gemiddeld vrij pad (MFP) en coherente effectieve brekingsindex (m_eff)
	<ol>
<li>Voer MATLAB uit. Typ opdrachten: Sorg = belasting (' pmatrix_org. dat '); Ssil = load (' pmatrix_sil. dat '); S = (sorg + Ssil)/2; Save (' pmatrix. in ', 'S ', '-ASCII '); CSCA = (Csca_sil + Csca_org)/2; Cext = (Cext_sil + Cext_org)/2; albedo = CSCA/Cext; MFP = vol/Cext; waar Csca_org en Cext_org zijn de onsamenhangende verstrooiing en extinctie doorsneden uit de stap 5.1.2, en Csca_sil en Cext_sil zijn de onsamenhangende verstrooiing en extinctie doorsneden uit de stap 5.1.3.</li>
		<li>Run ./m_eff (CSCA, r) in de opdrachtregel om m_eff te verkrijgen waar de straal van het volume-element is.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Het berekenen van verstrooiings eigenschappen voor de Coma deeltjes.<ol>
<li>Stel de waarden van de stap 5.2.1 en 5.2.2 (d.w.z. albedo, MFP, m_eff in het input.in -bestand) in.</li>
		<li>Stel de index van de energiewetgeving voor de correlatie lengte in op 3,5 in het bestand input.in .</li>
		<li>Voer SIRIS4 solver (./siris4 input.in pmatrix.in) uit voor deeltjesgroottes van 5 μm tot 100 μm met een stap van 5.</li>
		<li>De Coma Phase-functies van de SIRIS4 solver.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Computerverstrooiings eigenschappen van de Nucleus
	<ol>
<li>Start in MATLAB en voer de gemiddeldenroutine powerlaw_ave. m de resultaten over de Power-Law grootteverdeling van index-3 na het berekenen van de Coma fase functies (stap 5.3.4) van de SIRIS4 Oplosser. De verwachte routine-uitgangen zijn pmatrix2.in, Albedo en het gemiddelde vrije pad.</li>
		<li>Vervolgens stelt u de resultaten van de uitgangen, Albedo en het gemiddelde vrije pad, in de input.in bestand.</li>
		<li>Stel de grootte in op 1.000.000.000 en de Power-Law index van de correlatiefunctie voor de shape naar 2,5. Voer vervolgens SIRIS4 uit met de opdrachtregel die hier wordt weergegeven om de Nucleus Phase-functie te verkrijgen.</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>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Experimentele, theoretische en computationele methoden zijn gepresenteerd voor lichtverstrooiing door discrete willekeurige media van deeltjes. De experimentele methoden zijn gebruikt om de basisconcepten in de theoretische en computationele methoden te valideren. Deze laatste methoden zijn dan met succes toegepast bij de interpretatie van astronomische waarnemingen van planetoïden (4) Vesta en komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko.
De experimentele Scatterometer is gebaseerd op ultrasoon gecontroleerde monster levitatie die de Mueller-matrix metingen mogelijk maakt voor een sample-aggregaat in een gewenste oriëntatie. Het aggregaat kan herhaaldelijk worden gebruikt in de metingen, omdat het mogelijk is om de aggregaatna elke meetset te sparen. Dit is de eerste keer dat dergelijke niet-contact, niet-destructieve verstrooiing metingen worden uitgevoerd op een monster onder volledige controle.
De theoretische en computationele methoden zijn afhankelijk van de zogenaamde onsamenhangende verstrooiing, absorptie en extinctie processen in willekeurige media. Terwijl de exacte elektromagnetische interacties altijd coherent optreden, binnen een oneindig willekeurig medium na het configureren van het gemiddelde, blijven alleen onsamenhangende interacties tussen de volume-elementen van deeltjes. In het huidige werk worden de onsamenhangende interacties tussen deze elementen exact verantwoord met behulp van de Maxwell-vergelijkingen: na aftrek van de samenhangende velden uit de velden in vrije ruimte, zijn het de onsamenhangende velden binnen het willekeurige medium die blijven. De behandeling is op dit moment in zijn geheel genomen, omdat de interacties, evenals de extinctie, verstrooiing en absorptie coëfficiënten van het medium, worden afgeleid in het kader van onsamenhangende interacties. Bovendien is aangetoond dat de administratieve verwerking van de samenhangende veld effecten op de interface tussen de vrije ruimte en het willekeurige medium resulteert in een succesvolle algemene behandeling voor een beperkt willekeurig medium.
Toepassing van de theoretische en computationele methoden is geïllustreerd voor experimentele metingen van een mm-schaal sferische monster aggregaat samengesteld uit submicron schaal sferische SiO2 deeltjes. De toepassing toont ondubbelzinnig aan dat het monster aggregaat moet bestaan uit een verdeling van deeltjes met verschillende groottes, in plaats van dat het bestaat uit sferische deeltjes. Er kunnen verstrekkende gevolgen van dit resultaat zijn voor de karakterisering van willekeurige media: het is aannemelijk dat de media aanzienlijk complexer zijn dan wat eerder is afgeleid met behulp van State-of-the-art karakterisatie methoden.
De synoptische interpretatie van het spectrum voor asteroïde (4) Vesta over de zichtbare en nabije infrarood golflengten, evenals de fotometrische en polarimetrische fase curves van Vesta bij de golflengte van 0,45 μm toont aan dat het praktisch is om de numerieke methoden te gebruiken bij het beperken van de minerale composities, deeltjesgrootte distributies, evenals regoliet volume dichtheid van externe astronomische waarnemingen. Dergelijke retrievalen worden verder versterkt door de gelijktijdige interpretatie van de fotometrische krommen voor de komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko over zijn coma en Nucleus. Tot slot is er een realistische modellering van de polarimetrische fase curve van 67P behaald20. Er zijn grote toekomstperspectieven bij de toepassing van de huidige methoden bij de interpretatie van waarnemingen van zonnestelsel objecten in het groot.
Er zijn toekomstperspectieven voor de huidige gecombineerde experimentele en theoretische aanpak. Omdat het uiterst moeilijk is om willekeurige media te karakteriseren die bestaan uit sub-golflengte-schaal inhomogeneities, kunnen gecontroleerde Mueller-matrix metingen een hulpmiddel bieden voor het opvragen van informatie over de volume dichtheid en de deeltjesgrootteverdeling in het medium. Kwantitatieve inversie van deze fysische parameters wordt vergemakkelijkt door de roman numerieke methoden.

Planetoïden, kometen kernen, en airless zonnestelsel objecten in het groot zijn bedekt met planetaire regoliths, losse lagen van deeltjes van verschillende grootte, vorm, en samenstelling. Voor deze objecten worden twee alomtegenwoordige astronomische verschijnselen waargenomen bij kleine zonfasenhoeken (de zon-object-Observer hoek). Ten eerste wordt de helderheid van het verstrooide licht in de astronomische magnitude schaal waargenomen om nonlinearly naar de nulfasehoek te verhogen, gewoonlijk het oppositie effect1,2genoemd. Ten tweede is het verstrooide licht deels lineair gepolariseerd evenwijdig aan het verstrooiings vlak (het Zonneobject-observator vlak), gewoonlijk negatief polarisatie3genoemd. De verschijnselen hebben sinds eind 19 eeuw geen kwantitatieve interpretatie voor de oppositie en sinds het begin van de 20e eeuw voor de negatieve polarisatie. Hun juiste interpretatie is een voorwaarde voor de kwantitatieve interpretatie van de fotometrische, polarmetrische en spectrometrische waarnemingen van airless-objecten, evenals van radar verstrooiing vanaf hun oppervlakken.
Er is4,5,6,7 voorgesteld dat het coherente backscatingsmechanisme (cbm) in meervoudige verstrooiing ten minste gedeeltelijk verantwoordelijk is voor de astronomische verschijnselen. In de CBM, gedeeltelijke golven, interactie met dezelfde scatterers in tegengestelde volgorde, interfereren altijd constructief in de exacte backverstrooiing richting. Dit komt door de samenviel optische paden van de reciproke golven. In andere richtingen varieert de interferentie van destructief tot constructief. Het configureren van gemiddelden binnen een discrete willekeurig medium deeltjes resulteert in een verbeterde backscattering. Wat betreft de lineaire polarisatie, de CBM is selectief en resulteert in negatieve polarisatie in het geval van positief polariserende enkelvoudige scatterers, een gemeenschappelijk kenmerk in enkele verstrooiing (cf. Rayleigh verstrooiing, Fresnel reflectie).
Verstrooiing en absorptie van elektromagnetische golven (licht) in een macroscopisch willekeurig medium van microscopische deeltjes heeft een open computationeel probleem gevormd in de planetaire astrofysica8,9. Zoals hierboven afgebeeld, heeft dit geleid tot het ontbreken van kwantitatieve inverse methoden om op grond gebaseerde en op ruimte gebaseerde waarnemingen van zonnestelsel objecten te interpreteren. In het huidige manuscript worden nieuwe methoden voorgesteld voor het overbruggen van de kloof tussen de observaties en hun modellering.
Experimentele metingen van verstrooiing door een kleine deeltjesmonster in een gecontroleerde positie en oriëntatie (zes vrijheidsgraden) zijn open gebleven. Verstrooiings karakteristieken voor enkelvoudige deeltjes zijn eerder gemeten als ensemble gemiddelden over de grootte, vorm en oriëntatie verdeling10 door de invoering van een deeltjes stroom door het meetvolume. Verstrooiings karakteristieken voor enkelvoudige deeltjes in levitatie zijn uitgevoerd met bijvoorbeeld Elektrodynamische levitatie11 en optische pincet12,13,14. In het huidige manuscript wordt een nieuwe experimentele methode op basis van ultrasone levitatie met volledige controle van de sample positie en oriëntatie15aangeboden.
Het huidige manuscript vat de resultaten samen van een project dat gedurende vijf jaar in 2013-2018 werd gefinancierd door de European Research Council (ERC): verstrooiing en absorptie van elektromagnetische golven in partikel media (SAEMPL, ERC Advanced Grant). Saempl slaagde erin om de drie belangrijkste doelstellingen te verwezenlijken: ten eerste werden de nieuwe numerieke Monte Carlo-methoden afgeleid voor meervoudige verstrooiing door discrete willekeurige media van dicht gevulde deeltjes16,17,18; tweede, nieuwe experimentele instrumentatie werd ontwikkeld en gebouwd voor gecontroleerde laboratorium metingen van validatie monsters in levitatie15; Ten derde werden de numerieke en experimentele methoden toegepast voor het interpreteren van astronomische waarnemingen19,20.
In wat volgt, worden de protocollen voor het gebruik van de experimentele verstrooiing pijplijn voor metingen, de bijbehorende computationele pijplijn, evenals de pijplijnen van de toepassing in detail beschreven. De computationele pijpleiding bestaat uit software voor asymptotisch exacte berekeningen in het geval van eindige systemen van deeltjes (superpositie T-matrix methode stmm21 en volume Integral vergelijkingsmethode viem22) en bij benadering berekeningen voor asymptotisch oneindige discrete willekeurige media van deeltjes met behulp van meerdere verstrooiings methoden (Siris23,24, radiatieve overdracht met coherente backscattering RT-CB8,9, en Overdracht met wederkerige transacties R2T216,17,18). De experimentele pijpleiding omvat de voorbereiding, opslag en het gebruik van de monsters, hun levitatie in het meetvolume, en het uitvoeren van de werkelijke verstrooiings meting over het bereik van verstrooiings hoeken met variërende polarisator Configuraties. De toepassings pijplijn heeft betrekking op het gebruik van de computationele en experimentele pijpleidingen om astronomische waarnemingen of experimentele metingen te interpreteren.

<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

Theoretische, numerieke en experimentele methoden worden gepresenteerd voor meervoudige verstrooiing van licht in macroscopische discrete willekeurige media van dicht ingepakte microscopische deeltjes. De theoretische en numerieke methoden vormen een kader van radioatieve overdracht met wederkerige transacties (R2T2). Het kader van de R2T2 omvat Monte Carlo order-of-verstrooiing tracering van interacties in de frequentie ruimte, ervan uitgaande dat de fundamentele verstrooiings-en absorberende elementen van het golflengte volume zijn die bestaan uit grote aantallen willekeurig verdeelde deeltjes. De discrete Random media zijn volledig verpakt met de volume-elementen. Voor sferische en niet-sferische deeltjes worden de interacties binnen de volume-elementen exact berekend met behulp van respectievelijk de Superposition T-matrix methode (stmm) en de volume Integral vergelijkingsmethode (viem). Voor beide deeltjes typen worden de interacties tussen verschillende volume-elementen exact berekend met behulp van de STMM. Aangezien de tracering plaatsvindt binnen de discrete willekeurige media, worden onsamenhangende elektromagnetische velden gebruikt, dat is het samenhangende veld van de volume-elementen wordt verwijderd uit de interacties. De experimentele methoden zijn gebaseerd op Akoestische levitatie van de monsters voor niet-contact, niet-destructieve verstrooiing metingen. De levitatie omvat volledige ultrasone controle van de sample positie en oriëntatie, dat is zes vrijheidsgraden. De lichtbron is een laser-aangedreven wit-lichtbron met een Monochromator en polarisator. De detector is een mini-Photomultiplier-buis op een draaiend wiel, uitgerust met polarisatoren. De R2T2 is gevalideerd met behulp van metingen voor een mm-schaal sferische monster van dicht gevulde sferische silicadeeltjes. Na validatie worden de methoden toegepast om astronomische waarnemingen te interpreteren voor asteroïde (4) Vesta en komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko (Figuur 1) die onlangs is bezocht door de NASA Dawn Mission en de ESA Rosetta Mission, respectievelijk.

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

Numerieke en experimentele methoden worden gepresenteerd voor meervoudige verstrooiing van licht in discrete willekeurige media van dicht verpakte deeltjes. De methoden worden gebruikt om de waarnemingen van planetoïde (4) Vesta en komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko interpreteren.

Verstrooiing en absorptie van licht in planetaire Regoliths

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

De methoden in dit protocol kunnen helpen bij het oplossen van de open computationele probleem van lichtverstrooiing door planetaire regoliths, dicht verpakte lagen van deeltjes op de oppervlakken van asteroïden gaan door kernen en andere zonnestelsel objecten. Om de berekeningen te valideren, introduceren we unieke contactloze en niet-destructieve metingen op basis van ultrasone monster levitatie. We hebben volledige controle over de positie en oriëntatie van de steekproef.Hier passen we gevalideerde computationele methoden toe om waarnemingen van asteroïde 4 Vesta en 67P/Churyumov-Gerasimenko te interpreteren. De computationele en de experimentele methoden zijn universeel en kunnen bijvoorbeeld worden toegepast in terrestrische teledetectie, nanoschaal materiaalwetenschappen en biomedische optica. Het gebruik van deze methoden vereist geduld.De inspanning loont echter vanwege het absolute en kwantitatieve karakter van het resultaat. Visuele demonstratie van de methoden is van cruciaal belang. Het experimentele deel in deze video combineert state-of-the-art technieken in zowel optica als akoestiek.Het demonstreren van de procedure zal dr.Antti Penttila, Ms.Julia Martikainen, Mr. Petteri Helander, Mr. Goran Maconi, en de heer Timo Vaisanen. Om te beginnen stelt u de scatterometer in door de lichtbron, fotomultiplierbuizen en versterkers in te schakelen. Laat het systeem 30 minuten stabiliseren.Stel vervolgens de akoestische monster levitator in door de microfoon in het midden van de levitator in te voegen en het kalibratiescript uit te voeren. Maak vervolgens een meetactie met een lege levitator. De sweep onthult alle signalen gegenereerd door omgevingslicht, reflecties uit de omgeving of elektrische geluiden.Gebruik na de installatie een akoestisch transparante maaslepel om het monster in de akoestische levitator te injecteren. Met behulp van een videocamera en hoge vergrotingsoptica inspecteer je de oriëntatie en de stabiliteit van het monster voor en na de verstrooiingsmetingen. De sterkte en assymetrie van de akoestische val zijn geoptimaliseerd voor maximale monsterstabiliteit.Hierdoor wordt het akoestische vermogen zo laag mogelijk ingesteld. Als het monster asymmetrisch is, draait u het om de verticale as om informatie over de vorm te verkrijgen. Voer de rotatie uit door de uitlijning van de akoestische val langzaam te wijzigen.Tijdens het beeldvorming, toe te passen extra verlichting om de beeldkwaliteit te verbeteren. Sluit vervolgens de meetkamer om extern licht te blokkeren. Selecteer met de computerinterface de oriëntatie van het monster en de hoekresolutie en het bereik van de meting.Het binnenkomende en het verstrooide licht worden gefilterd door lineaire polarisatoren die gemotoriseerd zijn. Voer de automatische meetvegering uit. Dit meet vier punten voor elke hoek met polarisatororiënten van horizontaal-horizontaal, horizontaal-verticaal, verticaal-verticaal en verticaal-horizontaal.Herstel het monster na de meting door het akoestische veld uit te schakelen en het monster op de akoestisch transparante stof te laten vallen. Voer vervolgens nog een meetveger uit met een lege levitator om eventuele drifting als gevolg van de omgevingslichtomstandigheden te detecteren. Wanneer u klaar bent, slaat u de gegevens op.Analyseer de gegevens om Mueller-matrixelementen voor elke hoek te berekenen door middel van lineaire combinatie van intensiteiten bij verschillende polarisaties. Gebruik SSH-toegang om verbinding te maken met het CSC IT Center voor het beperkte cluster Taito voor wetenschap. Download en compiler alle vereiste programma's die vooraf zijn geconfigureerd voor Taito door bash compile.sh uit te voeren.Open vervolgens de teksteditor Nano en stel de parameters in voor één verstroo ding, volume-element en het bestudeerde monster dat overeenkomt met het bestudeerde monster door het bestand PARAMS te wijzigen. Voer vervolgens de pijplijn uit door command bash run.sh uit te voeren. Als je klaar bent, schrijf je de volledige Mueller-matrix van het monster in de temp map als definitief.uit.Gebruik Siris4 om de verstrooiingseigenschappen van howardite-deeltjes te berekenen door eerst het uitvoerbare Siris4-bestand in dezelfde map te verplaatsen met het invoerbestand en het P-matrixbestand. Kopieer dan de input_1. in en pmatrix_1.in de testmap. In input_1. stel het aantal stralen in op twee miljoen, het aantal monsterdeeltjes op 1.000, de standaardafwijking van de straal op 0,17 en de energiewet-index van de correlatiefunctie op drie.Stel vervolgens het werkelijke deel van de brekingsindex in op 1,8 en gebruik het denkbeeldige deel van de brekingsindex n zoals beschreven in het tekstprotocol. Voer vervolgens Siris4 uit door de hier getoonde opdracht uit te voeren voor elke golflengte van 0,4 tot 2,5 micron met een groottebereik van 10 tot 200 micron in diameter met een bemonsteringsstap van 10 micron. Sla vervolgens elke berekende verstrooiingsfase matrix p op in een pmatrix_x.in het dossier. De x in de bestandsnaam beschrijft het golflengtenummer en varieert van één tot 43 voor elke deeltjesgrootte. Het bestand bevat de verstrooiingshoeken en de verstrooiingsmatrixelementen P11, P12, P22, P33, P34 en P44 voor één golflengte en deeltjesgrootte.Gemiddeld de verkregen verstrooiing matrices, enkele verstrooiing Albedos, en gemiddelde vrije paden over een macht wet grootte verdeling met een index van 3,2. Gebruik diffuus strooiers in een Vesta-formaat volume met een brekingsindex van een. Gebruik in het invoerbestand de gemiddelde enkele verstrooiingsalbedos en gemiddelde vrije padlengtes voor interne spreidingsversstrooiers.Voer vervolgens Siris4 uit op elke golflengte door het commando uit te voeren dat hier wordt weergegeven waar x de golflengte is. De code leest de gemiddelde verstrooiingsmatrices als input voor de interne diffuse scatterers. Schaal Vesta's waargenomen spectra tot een geometrische Albedo waarde van 0,42327 op 0,55 micron.Om tot 17,4 graden te komen, breng een factor 0,491 op de geschaalde spectra. Vergelijk zowel de gemodelleerde als de waargenomen spectra over het hele golflengtebereik. Begin met het downloaden van de bronbestanden met Git en verplaats de bestanden naar het gedownloade directory-cd-protocol4b.Download en compiler vervolgens alle vereiste programma's door bash compile.sh uit te voeren. Kopieer de gemiddelde invoerverstrooiingsmatrix en de amplitudeverstrooiingsmatrix in de huidige werkmap. Open vervolgens de teksteditor Nano en wijzig het bestand PARAMS om de gewenste parameters in te stellen.Voer de pijplijn uit door bash run.sh uit te voeren. Schrijf dan de volledige Mueller matrix in de temp map als rtcb.out. Begin in MATLAB en voer de gemiddelde routine powerlaw_ave.m om de resultaten over de machtswetgroottedistributie van index minus drie na het berekenen van de functies van de comafase van de oplosser Siris4 te berekenen. De verwachte routine-uitgangen zijn pmatrix2. in, Albedo en het gemiddelde vrije pad.Stel vervolgens de resultaten van de uitgangen Albedo en de gemiddelde vrije weg in de invoer. in het dossier. Stel de grootte in op een miljard en stel de energiewetindex van de correlatiefunctie voor de vorm in op 2,5.Voer Siris4 vervolgens uit met behulp van de hier getoonde opdrachtregel om de nucleusfasefunctie te verkrijgen. Met Siris4 werden de verstrooiingseigenschappen van 100.000 aggregaten opgelost en gemiddeld. Deze resultaten worden hier uitgezet met de experimentele metingen en een extra simulatie zonder het effectieve medium.Beide keuzes voor de deeltjesverdeling leverden een match op met de gemeten fasefunctie, hoewel ze resulteren in verschillende polarisatiekenmerken. Deze verschillen kunnen worden gebruikt om de onderliggende verdeling van de deeltjes in het monster te identificeren. De beste keuze is om de afgekapte normale verdeling te gebruiken in plaats van de equisized deeltjes.Als alleen genormaliseerde fasefuncties worden gebruikt, geven de twee distributies niet te onderscheiden resultaten. Voor de depolarisatie hebben de numerieke resultaten functies die vergelijkbaar zijn met de gemeten curve, maar de functies worden met 10 graden naar de backscattering-richting verschoven. De verschillen in de polarisatie geven aan dat het monster vermoedelijk een complexere structuur heeft dan het homogene model.Het is echter buiten de bestaande microscopische methoden voor monsterkarakterisering om de ware structuur van het aggregaat op te halen. Hier is de fotometrische fasecurve gepaard gegaan met de lineaire afhankelijkheid van de omvang die het effect van schaduwen nabootst in een dicht verpakte hoge Albedo regolith. Het model legt met succes de waargenomen fotometrische en polarimetrische fasecurven uit en biedt een realistische voorspelling voor de maximale polarisatie.Het is opvallend hoe de minieme fractie van de kleine deeltjespopulatie in staat is om de uitleg van de fasecurven te voltooien. Bij het uitvoeren van dit experiment is de ultrasone monster levitatie de sleutel tot succesvolle verstrooiingsmetingen. In het rekengedeelte is de onsamenhangende behandeling van verstrooiing in het medium van deeltjes essentieel.In de toekomst zijn we van plan om de experimentele methoden uit te breiden tot zowel grotere als kleinere monsters die reiken tot centimeter- en micrometerschalen. We zijn momenteel bezig met het ontwikkelen van manieren om volledige ultrasone monstercontrole in microscopen te gebruiken. Neem de juiste voorzorgsmaatregelen bij het uitvoeren van dit protocol als krachtige echografie en lichtbronnen worden gebruikt in deze metingen.

Research

JoVE Journal

Engineering

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

Meten Ruimtelijk-en Directionally-variërend lichtverstrooiing van biologisch materiaal

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

Simulatie van de Planetaire Binnenlandse differentiatieprocessen in het Laboratorium

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-dynamische Biasing Methode voor het omschakelen Tijd Verbetering Ernstig Underdamped Fringing-veld elektrostatische MEMS Aandrijvingen

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

Meting van Verstrooiing lineariteiten van een Single Plasmonische Nanodeeltje

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

Printing Fabrication van Bulk Heterojunction Solar Cells en<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologie 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 Actuators - Fabricage en Controle van de Aandrijving in microscopische schaal

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

Gestimuleerde Stokes en Antistokes Raman Scattering in microsferische Whispering Gallery Mode Resonators

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) gebaseerde methodologie om kwantitatief te evalueren voorwaartse en achterwaartse lichtverspreiding van intraculaire objectieven

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