Métodos experimentales de polvo de carga y la movilización en las superficies con la exposición a la radiación ultravioleta o Plasmas
Summary
Polvo de carga y movilización se demostró en tres experimentos de exposición térmica plasma con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo radiación ultravioleta (UV). Estos experimentos presentan la comprensión avanzada de transporte de polvo electrostático y su papel en la conformación de las superficies de los cuerpos planetarios sin aire.
Abstract
Transporte de polvo electrostática ha planteado la hipótesis para explicar un número de observaciones de fenómenos planetarios inusuales. Aquí, se demuestra utilizando tres recientemente desarrollado experimentos en que polvo partículas están expuestas a termal plasma con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo radiación ultravioleta (UV). La fuente de luz UV tiene una banda estrecha de longitud de onda centrada en 172 nm. Los electrones de la viga con la energía del eV 120 se crean con un filamento caliente negativamente sesgado. Cuando la cámara de vacío se llena con el gas argón, se crea un plasma térmico además el haz de electrones. Partículas de polvo aislante de unas pocas decenas de micras de diámetro se utilizan en los experimentos. Las partículas de polvo se registran para ser abuhardilladas hasta unos pocos centímetros de altura con una velocidad de lanzamiento hasta 1 m/s. Estos experimentos demuestran que la emisión foto o secundaria electrones desde una superficie polvorienta cambia el mecanismo de carga de las partículas de polvo. Según el recientemente desarrollado “parches, modelo de carga”, los electrones emitidos pueden ser absorbidos nuevamente dentro de microcavidades entre vecinos las partículas de polvo debajo de la superficie, causando la acumulación de cargas negativas mejoradas en el polvo circundante partículas. Las fuerzas repulsivas entre ellos cargan negativamente las partículas pueden ser lo suficientemente grandes para movilizar y elevación de la superficie. Estos experimentos presentan la comprensión avanzada de polvo de carga y transporte sobre superficies polvorientas y sentaron las bases para futuras investigaciones sobre su papel en la evolución de la superficie de cuerpos planetarios sin aire.
Introduction
Cuerpos planetarios sin aire, como la luna y los asteroides, están cubiertos de finas partículas de polvo llamadas regolito. Estos cuerpos sin aire, a diferencia de la tierra, directamente están expuestos a plasma del viento solar y solar (UV) la radiación ultravioleta, que causa el polvo de regolito a cargar. Estas cargado partículas de polvo pueden por lo tanto movilizadas, abuhardilladas, transportadas, o incluso expulsadas y perdidas de la superficie por fuerzas electrostáticas. La primera sugiere evidencia de este proceso electrostático fue el llamado “resplandor del horizonte lunar”, una luz distinta sobre el horizonte occidental observada poco después del atardecer por naves espaciales Surveyor 5, 6 y 7 hace cinco décadas (Figura 1a)1, 2,3. Se ha presumido que este resplandor fue causado por la luz solar dispersada apagado de partículas de polvo electrostático tipo loft (5 μm radio) a una altura < 1 m por encima de la superficie cerca del terminador lunar1,2,3. Electrostático lanzado polvo fino también se sugirió para ser responsable de la marca ray-como llegar a una gran altura por los astronautas de Apolo4,5.
Puesto que estas observaciones de Apolo, una serie de observaciones sobre otros cuerpos sin aire también fueron vinculados a los mecanismos de movilización de polvo electrostático o lofting, tales como los rayos radiales en el Saturno anillos6,7, 8, los estanques de polvo en el asteroide Eros (Figura 1b)9 y cometa 67 P10, indicaron las superficies porosas de los espectros asteroides del cinturón principal11, la superficie inusualmente suave de Saturno icy Luna Atlas12y el regolito en los remolinos lunares13. Además, la degradación de los catadióptricos de láser en la superficie lunar puede ser también causada por la acumulación de polvo electrostático tipo loft14.
Estudios de laboratorio han sido en gran parte motivados por estas observaciones inusuales espacio para entender los procesos físicos de la carga de polvo y transporte. Movilización de polvo se ha observado en diversas condiciones de plasma, en el que las partículas de polvo son arrojar apagado de un cristal esfera superficie15,16, levitación en plasma vainas17y grabado para mover tanto en realización como aislante las superficies18,19,20,21. Sin embargo, cómo las partículas de polvo obtener cargos bastante grandes ser abuhardilladas o movilizado seguía siendo mal entendida. Las mediciones de las cargas en partículas individuales sobre una superficie lisa22 y la densidad de carga promedio sobre una superficie polvorienta23 inmerso en plasmas muestran que los cargos son demasiado pequeños para partículas de polvo abuhardilladas o movilizado.
En las teorías anteriores16,24,25, la carga era considerado sólo para ocurrir en la capa superficial que está directamente expuesta a UV o plasma. Los cargos se consideran a menudo para ser distribuido uniformemente sobre toda la superficie polvorienta, es decir., cada partícula de polvo individual adquiere la misma cantidad de carga, descrito por el supuesto “modelo de carga compartida”16. Sin embargo, los cargos calculados a partir de este modelo son mucho menores que la fuerza de la gravedad solamente. Una teoría de la fluctuación de carga que representa para el proceso estocástico de los flujos de electrones e iones a la superficie16,24 muestra una mejora temporal en la fuerza electrostática, pero sigue siendo pequeña en comparación con el fuerza gravitacional.
En este papel, polvo electrostático lofting y movilización se demostró utilizando tres recientemente desarrollado experimentos26, que son importantes para comprender el transporte de polvo en el regolito de cuerpos planetarios sin aire. Estos experimentos se realizan en las condiciones de plasma térmico con electrones de haz, haz de electrones sólo o sólo la radiación ultravioleta. Estos experimentos demuestran la validez de los recientemente desarrollados “parcheado modelo carga”26,27, en que microcavidades forman entre los vecinos de las partículas de polvo debajo de la superficie vuelva a pueden absorber la foto emitida o electrones secundarios, generando grandes cargas en las superficies de las partículas de polvo vecino negativas. Las fuerzas repulsivas entre estas cargas negativas pueden ser lo suficientemente grandes para movilizar o levantar las partículas de polvo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Durante décadas, el problema de transporte de polvo electrostático sobre el regolito de cuerpos privados de aire seguía siendo una incógnita cómo las partículas de polvo de regolito ganan cargos suficientemente grandes para ser movilizado o abuhardilladas. Recientes estudios de laboratorio26,27 ha avanzado fundamentalmente la comprensión de este problema.
Aquí, es demostrados tres experimentos recientemente desarrollados para m…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por el Instituto de NASA/SSERVI Plasma modelado, atmósferas y polvo cósmico (impacto) y por el programa de funcionamiento de sistemas de energía Solar de NASA (número: 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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