Experimentelle Methoden der Aufladung Staub und Mobilisierung auf Oberflächen mit der Exposition gegenüber ultravioletter Strahlung oder Plasmen
Summary
Staub zu laden und Mobilisierung wird in drei Experimenten mit der Exposition gegenüber thermischen Plasma mit Strahl Elektronen Strahl Elektronen nur oder ultraviolette (UV) Strahlung nur nachgewiesen. Diese Experimente präsentieren das erweiterte Verständnis der elektrostatischen Staubtransport und seine Rolle bei der Gestaltung der Oberflächen von airless planetaren Körpern.
Abstract
Elektrostatische Staubtransport hat theoretisiert, um eine Reihe von Beobachtungen der ungewöhnliche planetarischen Phänomene zu erklären. Hier wird gezeigt, dass mit drei vor kurzem Experimente entwickelt, in denen, die Staub Partikel thermisches Plasma mit Strahl Elektronen Strahl Elektronen nur oder ultraviolette (UV) Strahlung nur ausgesetzt werden. Die UV-Lichtquelle hat eine schmale Bandbreite in Wellenlänge zentriert auf 172 nm. Der Strahl Elektronen mit der Energie von 120 eV werden mit einem negativ voreingenommen heiße Filament erstellt. Wenn die Vakuumkammer mit Argon-Gas gefüllt ist, wird ein thermisches Plasma neben der Elektronenstrahl erstellt. Isolierende Staubpartikel von ein paar Dutzend Mikrometer im Durchmesser sind in den Experimenten verwendet. Staubpartikel werden aufgezeichnet, um eine Höhe bis zu einigen Zentimetern mit einer Startgeschwindigkeit bis zu 1 m/s extrudiert werden. Diese Experimente zeigen, dass Foto und/oder Sekundär-Elektronen-Emission aus eine staubige Oberfläche den Ladestationen Mechanismus von Staubpartikeln ändert. Laut “gepatcht das neu entwickelte kostenlos Modell” die emittierten Elektronen in Ultrakurzimpulse zwischen benachbarten Staubpartikel unter der Oberfläche, was die Ansammlung von verstärkten negativen Ladungen auf den umliegenden Staub wieder aufgenommen werden können Partikel. Die abstoßenden Kräfte zwischen diesen geladene negativ Teilchen sind groß genug, um zu mobilisieren und heben sie von der Oberfläche. Diese Experimente präsentieren das erweiterte Verständnis von Staub aufladen und Transport auf staubigen Oberflächen und legte die Grundlage für zukünftige Untersuchungen seiner Rolle in der Oberfläche Evolution der airless Himmelskörper.
Introduction
Airless Himmelskörper wie Mond und Asteroiden sind mit Feinstaub genannt Regolith bedeckt. Diese airless Körper, im Gegensatz zu Erde, sind direkt ausgesetzt Sonnenwind Plasma und solar Ultraviolett (UV) Strahlung, verursacht den Regolith Staub aufgeladen werden. Diese Rechnung Staubpartikel können daher werden mobilisiert, extrudiert, transportiert, oder sogar ausgeworfen und von der Oberfläche durch elektrostatische Kräfte verloren. Die erste schlug Beweis für elektrostatische dabei war die so genannte “lunar Horizont Glühen”, einen deutlichen Glanz über dem westlichen Horizont beobachtet kurz nach Sonnenuntergang von Surveyor 5, 6 und 7 Raumsonden vor fünf Jahrzehnten (Abbildung 1a)1, 2,3. Es ist vermutet worden, dass dieser Schein durch Sonnenlicht verstreut aus von elektrostatisch erhobene Staubpartikel (5 μm Radius) bis zu einer Höhe < 1 m über der Oberfläche in der Nähe der lunar Terminator1,2,3verursacht wurde. Elektrostatisch freigesetzte Feinstaub wurde auch vorgeschlagen, für die Ray-wie Luftschlangen erreichen einen hohe Höhe berichtet von den Apollo-Astronauten4,5verantwortlich.
Seit diese Apollo-Beobachtungen, eine Reihe von Beobachtungen über andere airless Körper auch mit den Mechanismen der elektrostatischen Staub Mobilisierung oder loften, klingt wie die radiale Speichen in des Saturns6,7, 8, der Staub Teiche auf Asteroiden Eros (Abbildung 1 b)9 und Kometen 67P10, porösen Oberflächen angegeben aus dem Main Belt Asteroid Spektren11, die ungewöhnlich glatte Oberfläche des Saturns eisigen Mond Atlas12, und die Regolith auf der lunar wirbelt13. Darüber hinaus kann der Abbau von Laser-Rückstrahler auf der Mondoberfläche auch durch die Ansammlung von Staub elektrostatisch erhobene14verursacht werden.
Laborstudien haben weitgehend motiviert, durch diese ungewöhnlichen Raum-Beobachtungen um die physikalischen Prozesse der Aufladung Staub zu verstehen und zu transportieren. Staub-Mobilisierung wurde in verschiedenen Plasma Bedingungen beobachtet in der Staubpartikel Schuppen sind aus aus ein Glas Kugel Oberfläche15,16, schwebte im Plasma Hüllen17und aufgezeichnet, um sowohl Durchführung und isolierende weiterziehen Oberflächen18,19,20,21. Wie Staubpartikel zu gewinnen groß genug Gebühren extrudiert oder mobilisiert werden, blieb jedoch schlecht verstanden. Die Messungen der Gebühren auf einzelne Staubpartikel auf einer glatten Oberfläche22 und die durchschnittliche Ladungsdichte auf einer staubigen Oberfläche23 eingetaucht in Plasmen zeigen, dass die Gebühren sind viel zu klein für Staubpartikel extrudiert oder mobilisiert werden.
In der früheren Theorien16,24,25die Aufladung nur galt auf der oberen Deckschicht auftreten, die UV- oder Plasma direkt ausgesetzt ist. Gebühren werden oft als gleichmäßig über die gesamte staubige Oberfläche, d.h.verteilt werden., jedes einzelne Staubkorn erwirbt die gleiche Menge kostenlos, durch die so genannte “shared kostenlos Modell”16beschrieben. Allerdings sind die Gebühren berechnet aus diesem Modell viel kleiner als die Gravitationskraft allein. Eine Ladung Fluktuation Theorie das entfallen der stochastische Prozess der Fluten von Elektronen und Ionen an der Oberfläche16,24 zeigt eine zeitliche Erweiterung in die elektrostatische Kraft, es bleibt jedoch gering im Vergleich zu den Gravitationskraft.
In diesem Papier wird elektrostatische Staub Extrudieren und Mobilisierung gezeigt, mit drei vor kurzem Experimente26, entwickelt, die wichtig für das Verständnis Staubtransport auf dem Regolith airless Himmelskörper. Unter den Bedingungen der thermischen Plasma mit Elektronen Strahl, Strahl Elektronen nur oder UV-Bestrahlung nur werden diese Experimente durchgeführt. Diese Experimente zeigen die Gültigkeit der neu entwickelten “gepatcht kostenlos Modell”26,27, in gebildet, welche Ultrakurzimpulse zwischen benachbarten Staubpartikel unter der Oberfläche wieder aufnehmen kann das emittierte Foto und/oder Sekundärelektronen erzeugen große negative Ladungen an den Oberflächen der benachbarten Staubpartikel. Die abstoßenden Kräfte zwischen diesen negativen Ladungen werden groß genug, um zu mobilisieren oder die Staubpartikel abheben.
Protocol
Representative Results
Discussion
Jahrzehntelang blieb das Problem der elektrostatischen Staubtransport auf dem Regolith airless stellen eine offene Frage, wie Regolith Staubpartikel zu gewinnen grosse genug Gebühren mobilisiert oder extrudiert werden. Den letzten Labor Studien26,27 haben grundsätzlich das Verständnis des Problems fortgeschritten.
Hier ist es demonstriert drei neu entwickelten Experimenten Staub Lade- und Mobilisierung im thermischen Plasma mit Elek…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde unterstützt durch die NASA/SSERVI Institut für Plasma-Modellierung, Atmosphären und kosmischem Staub (IMPACT) und die NASA Solaranlagen Funktionsweise Programm (gewähren Nummer: NNX16AO81G).
Materials
| Vacuum chamber | Any | NA | |
| Vacuum electrode feedthrough | Lesker | EFT0113053 | |
| Tungsten filament (0.1 mm thick) | Goodfellow | W055250 | Thoriated |
| Power supply #1 (0-8V, 3A) | Agilent | E3610A | Or equivalent |
| Power supply #2 (0-140V, 0.5A) | Agilent | E3612A | Or equivalent |
| UV lamp | Osram | XERADEX L40/120/SB-SX48/KF50HV | Or equivalent |
| Dust sample | Any | Mars or Lunar simulants or other types | Irregularly-shaped, sieved, insulating |
| Insulating plate | Any | NA | Thickness > 1 cm |
| Rubber sheet | Any | NA | Thickness > 1 mm |
| Metal plate | Any | NA | |
| Ceramic stands | McMaster | 94335A130 | 1/2" diameter |
| Video camera (consumer) | Panasonic | HC-VX870 | Or equivalent |
| Video camera (high-speed) | Phantom | V2512 | > 1000 fps |
| LED lamp | Any | NA | > 500W Tungsten Equivalent |
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