Экспериментальные методы взимания пыли и мобилизации на поверхностях с воздействием ультрафиолетового излучения или плазмы
Summary
Зарядка пыли и мобилизация проявляется в трех экспериментов с воздействием термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или ультрафиолетового (УФ) излучения только. Эти эксперименты представляют расширенные понимания электрофильтрах пыль транспорта и его роль в формировании поверхности безвоздушного планетных тел.
Abstract
Электрофильтрах пыль транспорта было предположить, чтобы объяснить ряд наблюдений необычных явлений, планетарные. Здесь доказано, что с помощью трех недавно разработали экспериментов, в которых пыли частицы подвергаются термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или ультрафиолетового (УФ) излучения только. Источник УФ света имеет узкой полосой пропускания в волны, центрированного 172 Нм. Пучка электронов с энергией 120 eV создаются с отрицательно предвзятым горячие накаливания. При вакуумной камеры заполняется газом Аргон, термической плазмы создается помимо электронного луча. Изолирующие частицы пыли несколько десятков микрон в диаметре используются в экспериментах. Частицы пыли записываются поднимаются на высоту до нескольких сантиметров с запуска скорость до 1 м/сек. Эти эксперименты показывают, что фото и/или средних электрона выбросов от пыльной поверхности изменяется механизм зарядки частиц пыли. Согласно недавно разработанных «заплата заряда модель» излучаемых электроны могут повторно всасывается внутри микрорезонаторах между соседними частицами пыли ниже поверхности, вызывая накопления более отрицательных зарядов на окружающие пыли частицы. Отвратительный сил между этими отрицательно заряженные частицы могут быть достаточно большой, чтобы мобилизовать и поднять их с поверхности. Эти эксперименты представляют расширенные понимание пыли зарядки и транспорта на пыльных поверхностях и заложил фундамент для будущего исследования его роли в поверхности эволюции безвоздушного планетных тел.
Introduction
Безвоздушного планетных тел, таких как Луна и астероидов, покрыты тонкой пыли частиц, называемых реголита. Эти безвоздушного органы, в отличие от земли, непосредственно подвергаются воздействию плазмы солнечного ветра и солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения, вызывая реголита пыли заряжаться. Эти взимается частицы пыли могут поэтому быть мобилизованы, сечениям, транспортировки, или даже выбрасывается и потерял от поверхности вследствие электростатических сил. Первый предложил доказательств электростатические процесс был так называемый «свечение Луны горизонт», собственный свечение над Западной горизонтом наблюдением инспектора, 5, 6 и 7-ка пять десятилетий тому назад (рис. 1a) вскоре после захода солнца1, 2,3. Предположили, что это свечение было вызвано солнечным светом, рассеян от частиц пыли электростатически сечениям (радиус 5 мкм) на высоту < 1 м над поверхностью вблизи лунного Терминатор1,2,3. Электростатически выпустила мелкодисперсной пыли было также предложено отвечать за Рэй как растяжки, достигая большой высоты сообщил Аполлон астронавтов4,–5.
С тех пор эти наблюдения Аполлон, количество наблюдений над другими безвоздушного органы были также связаны с механизмами мобилизации электрофильтрах пыль или сечениям, таких как радиальные спицы в Сатурн кольца6,7, 8, пыль пруды на астероиде Эрос (рис. 1b)9 и кометы 67 P10, пористых поверхностей указано от главного пояса астероидов спектры11, необычайно гладкой поверхности Сатурна ледяной Луна Атлас12и реголита лунного сучки13. Кроме того деградация светоотражателей лазера на поверхности Луны может быть также вызвано накопление электростатического сечениям пыли14.
Лабораторные исследования были во многом вызваны эти необычные космических наблюдений для понимания физических процессов зарядки пыли и транспорт. Пыль мобилизации наблюдается в различных условиях плазмы, в которых частицы пыли сарай с стеклянной сфере поверхности15,16, поднимаемый в плазме влагалищ17и записал для перемещения на проведение и изоляционные поверхности18,19,,2021. Однако как частицы пыли могут получить достаточно большой обвинения сечениям или мобилизованы оставалась не ясны. Измерения расходов на отдельные пыли на гладкой поверхности22 и средняя плотность заряда на пыльной поверхности23 погружены в плазме показывают, что обвинения являются слишком мал для частиц пыли по сечениям или мобилизованы.
В предыдущих теорий16,24,–25зарядки только считался происходят в верхнем слое поверхности, которая подвержена непосредственному воздействию УФ или плазмы. Обвинения часто считается чтобы быть распределены равномерно по всей поверхности пыльной, т.е., каждый индивидуальный пыли частиц приобретает такое же количество заряда, описанные в так называемой «общий заряд модель»16. Однако обвинения, рассчитанные на основе этой модели гораздо меньше, чем гравитационной силы. Теория колебаний заряда, что приходится стохастический процесс потоков электронов и ионов к поверхности16,24 показывает временное повышение в электростатических сил, но она остается небольшим по сравнению с Гравитационные силы.
В этом документе лофтинг электрофильтрах пыль и мобилизации продемонстрировал с помощью трех недавно разработали26эксперименты, которые являются важными для понимания пыли транспорта на реголита безвоздушного планетных тел. Эти эксперименты проводятся в условиях термической плазмы с пучка электронов, пучка электронов только или УФ-излучения. Эти эксперименты продемонстрировать действенность недавно разработанных «заплата заряда модель»26,27, в котором микрорезонаторах образуются между соседними частицы пыли ниже поверхности может повторно поглощать испускаемого фото и/или вторичных электронов, генерации большой минус расходы на поверхностях соседних частиц пыли. Отвратительный сил между этими отрицательными зарядами может стать достаточно большой, чтобы мобилизовать или поднимите частицы пыли.
Protocol
Representative Results
Discussion
На протяжении десятилетий проблема транспорта электрофильтрах пыль на реголита безвоздушного органов остается открытым вопрос, как частицы пыли реголита получить достаточно большие сборы стать мобилизация или сечениям. Недавние лабораторные исследования26,<sup class="…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана НАСА/SSERVI института для моделирования плазмы, атмосферы и космической пыли (воздействия) и программой НАСА солнечных систем выработок (номер гранта: 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 |
References
- Criswell, D. R. Horizon-glow and the motion of lunar dust. Photon and Particle Interactions with Surfaces in Space. , 545-556 (1973).
- Rennilson, J. J., Criswell, D. R. Surveyor observations of lunar horizon-glow. Moon. 10 (2), 121-142 (1974).
- Colwell, J. E., Batiste, S., Horányi, M., Robertson, S., Sture, S. Lunar surface: Dust dynamics and regolith mechanics. Rev. Geophys. 45, RG2006 (2007).
- McCoy, J. E., Criswell, D. R. Evidence for a high latitude distribution of lunar dust. The 5th Proc. Lunar Sci. Conf. , 2991 (1974).
- Zook, H. A., McCoy, J. E. Large scale lunar horizon glow and a high altitude lunar dust exosphere. Geophys. Res. Lett. 18 (11), 2117-2120 (1991).
- Smith, B. A., et al. Encounter with Saturn – Voyager-1 imaging science results. Science. 212 (4491), 163-191 (1981).
- Smith, B. A., et al. A new look at the Saturn system – the Voyager-2 images. Science. 215 (4532), 504-537 (1982).
- Mitchell, C. J., Horányi, M., Havnes, O., Porco, C. C. Saturn’s spokes: Lost and found. Science. 311 (5767), 1587-1589 (2006).
- Robinson, M. S., Thomas, P. C., Veverka, J., Murchie, S., Carcich, B. The nature of ponded deposits on Eros. Nature. 413 (6854), 396-400 (2001).
- Thomas, N., et al. Redistribution of particles across the nucleus of comet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Astron. Astrophys. 583, A17 (2015).
- Vernazza, P., et al. High surface porosity as the origin of emissivity features in asteroid spectra. Icarus. 221 (2), 1162-1172 (2012).
- Hirata, N., Miyamoto, H. Dust levitation as a major resurfacing process on the surface of a saturnian icy satellite Atlas. Icarus. 220 (1), 106-113 (2012).
- Garrick-Bethell, I., Head, J. W., Pieters, C. M. Spectral properties, magnetic fields, and dust transport at lunar swirls. Icarus. 212 (2), 480-492 (2011).
- Murphy, T. W., et al. Long-term degradation of optical devices on the Moon. Icarus. 208 (1), 31-35 (2010).
- Sheridan, T. E., Goree, J., Chiu, Y. T., Rairden, R. L., Kiessling, J. A. Observation of dust shedding from material bodies in a plasma. J. Geophys. Res. 97 (A3), 2935-2942 (1992).
- Flanagan, T. M., Goree, J. Dust release from surfaces exposed to plasma. Phys. Plasmas. 13 (12), 123504 (2006).
- Sickafoose, A. A., Colwell, J. E., Horányi, M., Robertson, S. Experimental levitation of dust grains in a plasma sheath. J. Geophys. Res. 107 (A11), 1408 (2002).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Experiments on dust transport in plasma to investigate the origin of the lunar horizon glow. J. Geophys. Res. 114, A05103 (2009).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Investigation of dust transport on the lunar surface in a laboratory plasma with an electron beam. J. Geophys. Res. 115, A11102 (2010).
- Wang, X., Horányi, M., Robertson, S. Dust transport near electron beam impact and shadow boundaries. Planet. Space Sci. 59 (14), 1791-1794 (2011).
- Hartzell, C. M., Wang, X., Scheeres, D. J., Horányi, M. Experimental demonstration of the role of cohesion in electrostatic dust lofting. Geophys. Res. Lett. 40 (6), 1038-1042 (2013).
- Wang, X., Horányi, M., Sternovsky, Z., Robertson, S., Morfill, G. E. A laboratory model of the lunar surface potential near boundaries between sunlit and shadowed regions. Geophys. Res. Lett. 34 (16), L16104 (2007).
- Ding, N., Wang, J., Polansky, J. Measurement of dust charging on a lunar regolith simulant surface. IEEE Trans. Plasma Sci. 41 (12), 3498-3504 (2013).
- Sheridan, T. E., Hayes, A. Charge fluctuations for particles on a surface exposed to plasma. Appl. Phys. Lett. 98 (9), 091501 (2011).
- Heijmans, L. C. J., Nijdam, S. Dust on a surface in a plasma: A charge simulation. Phys. Plasmas. 23 (6), 043703 (2016).
- Wang, X., Schwan, J., Hsu, H. -. W., Grün, E., Horányi, M. Dust charging and transport on airless planetary bodies. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 6103-6110 (2016).
- Schwan, J., Wang, X., Hsu, H. -. W., Grün, E., Horányi, M. The charge state of electrostatically transported dust on regolith surfaces. Geophys. Res. Lett. 44 (7), 3059-3065 (2017).
- Allen, C. C., et al. Martian Regolith Simulant JSC-Mars-1. The 29th Lunar and Planetary Science Conference. , (1998).
- Martin, N. L. S., von Engel, A. The reflection of slow electrons from a soot-covered surface. J. Phys DAppl Phys. 10 (6), 863-868 (1977).
- Halekas, J. S., Delory, G. T., Lin, R. P., Stubbs, T. J., Farrell, W. M. Lunar Prospector measurements of secondary electron emission from lunar regolith. Planet. Space Sci. 57 (1), 78-82 (2009).
- Wiese, R., Sushkov, V., Kersten, H., Ikkurthi, V. R., Schneider, R., Hippler, R. Behavior of a porous particle in a radiofrequency plasma under pulsed argon ion beam bombardment. New J. Phys. 12, 033036 (2010).
- Richterová, I., Nĕmeček, Z., Beránek, M., Šafránková, J., Pavlů, J. Secondary emission from non-spherical dust grains with rough surfaces: Applications to lunar dust. Astrophys. J. 761 (2), 108 (2012).
- Ma, Q., Matthews, L. S., Land, V., Hyde, T. W. Charging of aggregate grains in astrophysical environments. Astrophys. J. 763 (2), 77 (2013).
- Dove, A., Horányi, M., Wang, X., Piquette, M., Poppe, A. R., Robertson, S. Experimental study of a photoelectron sheath. Phys. Plasmas. 19 (4), 043502 (2012).
- Zimmerman, M. I., et al. Grain-scale supercharging and breakdown on airless regoliths. J. Geophys. Res.-Planet. 121 (10), 2150-2165 (2016).
- Wang, X., Pilewskie, J., Hsu, H. -. W., Horányi, M. Plasma potential in the sheaths of electron-emitting surfaces in space. Geophys. Res. Lett. 43 (12), 525-531 (2016).
