Laboratorio torres de caída para el experimental Simulación de colisiones de polvo acumuladas en el Sistema Solar temprano

PRECAUCIÓN: En función de la peligrosidad de las partículas de segunda mano, que se pueden encontrar en las correspondientes hojas de seguridad, protección de la boca y el equipo de seguridad deben ser usados ​​por la persona que trabaja con el polvo. También se recomienda utilizar un sistema de aspiración de mantener el ambiente libre de polvo-aire. 1. Preparación de muestras de polvo de agregado cm de tamaño Calcular la cantidad de material requerido por m = Φ ρ 0 V, donde m es la masa requerida, Φ es el factor volumen de llenado deseado (volumen factor de llenado = 1 – porosidad), ρ 0 es la densidad del material, y V es el volumen de la muestra. Se requiere 77 g de polvo de silicato irregular (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) para lograr una porosidad de la muestra de 70% (factor de volumen de llenado = 0,3) para una muestra cilíndrica de 5 cm de diámetro y la altura, respectivamente. Nota: La formación de pla terrestreredes comienza con la coagulación de partículas de polvo de tamaño micrométrico – predominantemente compuestas por silicatos – en cuerpos porosos cm de tamaño. Un material análogo de laboratorio bien estudiado y adecuado es de SiO 2, que está disponible como polvo de forma irregular con una distribución de tamaño en el intervalo de 0,5 a 10 micras, así como en la forma de granos esféricas monodispersas para una mejor comparabilidad con los modelos teóricos (véase la Tabla 1 y Figura 1). SiO2-monómero de tipo de grano Fabricante El diámetro de partícula Forma de la partícula Ejemplo figura Monodispersa Micromod 1,52 ± 0,06 y# 181; m Esférico Figura 1 (izquierda) Polidispersos Sigma-Aldrich 0,1 a 10 micras Irregular La figura 1 (a la derecha) Tabla 1. Características de las partículas de SiO2 utilizados en los experimentos de colisión de polvo agregado. Figura 1. Imágenes de microscopía de electrones de la monodispersa (izquierda) y polidispersa (derecha) SiO 2 partículas utilizadas para la producción de agregados de polvo macroscópicos. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. <olstart = "2"> Tome un recipiente con partículas de SiO2 de tamaño micrométrico (ver Tabla 1) y se vierte su contenido sobre un tamiz con un tamaño de malla de 0,5 mm. Tamizar una cantidad suficiente de material y llenar la masa calculada en el molde. Comprimir el material en el molde empujando un pistón con la mano hasta que se alcanza la altura de la muestra (por ejemplo, 5 cm). Da la vuelta al molde en el pistón, abra la placa base y empuje suavemente la muestra fuera. Nota: Las muestras se pueden producir en varias formas (esférica y cilíndrica), tamaños (1 mm a 10 cm) y porosidades (60 a 85%) (véase la Figura 3). Las muestras entonces se pueden utilizar individualmente en los experimentos de colisión o combinan en grupos, que luego chocan con otros agregados o conglomerados. Figura 2. Fotografía del. la variación de tamaños y formas de la muestra de polvo agregada se muestran los siguientes ejemplos: cilindros de polvo con 1 cm, 2 cm y 5 cm de diámetro (fila de atrás), esferas de polvo con 1 cm y 2 cm de diámetro (fila central), y 2-3 mm de tamaño de Al 2 O 3 esferas (delanteros). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Caracterizar las muestras con respecto a la porosidad y la homogeneidad. Si las muestras caen fuera de los márgenes permitidos, producir nuevas muestras. Con el fin de determinar la porosidad de la muestra de polvo, determinar su volumen mediante la medición de sus dimensiones y su masa por medio de un equilibrio preciso. Utilice la tomografía de rayos X (XRT) 12 para obtener información sobre la homogeneidad y distribución de tamaño de poro de la muestra producida. Nota: Para los agregados de polvo 5 cm de tamaño, encontramos desviaciones de la media del volumen de llenado factoR, es decir, la relación de la densidad de masa de la muestra y la densidad del material de las partículas de monómero de polvo, de sólo alrededor de 1% dentro de la mayor parte del volumen de las muestras y un aumento ligeramente mayor del factor de volumen de llenado hasta en un 8% hacia los límites exteriores 12. Figura 3 muestra una reconstrucción XRT de un corte a través de un agregado de polvo cilíndrico de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura. No utilizamos XRT para cada agregado de polvo pero examinamos la estructura interna y la homogeneidad de las muestras aleatorias. Figura 3. Reconstrucción de la estructura interna de una muestra de polvo-agregado cilíndrico de 5 cm de altura y 5 cm de diámetro después de XRT análisis. La escala de grises denota el factor volumen de llenado, que es la relación de la densidad de masa de tque muestra y la densidad del material de las partículas de monómero de polvo. A partir de la reconstrucción de XRT, es claramente visible que esta muestra de alta porosidad se ensambla utilizando agregados de polvo mm de tamaño. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Principio de instalación de torre de caída Mecanismos de la versión: En la parte superior de la torre de caída dos mecanismos de liberación están unidos uno en la parte superior de la otra. Cada uno de ellos tiene una muestra y lo libera en caída libre. La diferencia de tiempo entre la liberación de la parte superior e inferior de la partícula determina la velocidad relativa de la colisión. De acuerdo con la morfología y la forma de las partículas, se eligen mecanismos de liberación apropiados. Si se utiliza un mecanismo de aceleración de partículas, sólo se requiere un mecanismo de liberación. Mecanismo de liberación de partículas-en-un-string (muestras esféricas, upppartícula er): Este mecanismo de liberación consiste en un imán solenoide lineal y un metal sólido contador de piezas. Conecte la partícula que se publicará en una cadena. Sostenga la secuencia en el lugar por sujetándolo entre el imán solenoide y el metal mostrador pieza sólida. Para liberar la partícula, aplicar una corriente eléctrica al imán de solenoide (ver Película 1). Trampilla mecanismo de liberación (muestras esféricas, partícula inferior): Este mecanismo de liberación se compone de un imán de solenoide giratorio al que está unido un soporte de partículas. Coloque la partícula en un molde semi-esférica, que se hace girar hacia abajo por un solenoide de rotación cuando se aplica una corriente eléctrica (véase la Película 1). Este mecanismo también se puede utilizar para la liberación de racimos de partículas o grumos agregados. En este último caso, montar dos mecanismos de liberación trampilla encima de la otra (véase Movie 2). </ol> Mecanismo de tijera doble liberación (muestras cilíndricas): Este mecanismo de liberación consiste en dos pares de imanes solenoides giratorios a la que se adjunta una barra de metal. Los dos imanes de solenoide de cada mecanismo de liberación se colocan de tal manera que las dos varillas de metal son paralelos. Coloque las dos muestras en las dos barras paralelas cada una. Aplicar una corriente eléctrica a los dos solenoides de rotación para liberar las partículas en caída libre. (Ver Movie 3). Mecanismo de doble ala liberación trampilla (muestras cilíndricas, en combinación con el mecanismo de aceleración de partículas): Este mecanismo de liberación consta de dos placas de metal de resorte, que en conjunto forman un soporte de partículas en forma de v. Las dos placas de metal se mantienen en su lugar por una barra de metal, que está unido a un imán solenoide giratorio. Coloque la muestra cilíndrica de polvo sobre la trampilla cerrada. Desbloquear la trampilla mediante la aplicación deuna corriente eléctrica al imán de solenoide. Para evitar que despide-detrás de las puertas, frenos de corrientes parásitas que se detengan (ver Película 4). Nota: Es importante liberar las partículas en caída libre sin velocidad inicial y la rotación. Con este fin se han desarrollado varios mecanismos de liberación (2.1.1 – 2.1.4). Mecanismos de aceleración de partículas: Acelera las partículas ya sea por un resorte precargado o por una etapa lineal electro-magnéticamente accionado. Ambos aceleradores pueden ser equipados con soportes de muestra de partículas de forma diferente. Electrónica de control: Ajuste el temporizador y suelte la electrónica para los valores apropiados para alcanzar la velocidad deseada y colisión para utilizar la cámara en un recuadro central de masa. Nota: El momento de la liberación de partículas, aceleración de partículas y la liberación de la cámara se realiza mediante un conjunto de temporizadores electrónicos, cuya funcionalidad se explica en Movie 5. 3. Experimentos escénicas Colisiones de baja velocidad (pequeña torre de caída): Cargue las muestras en el mecanismo de doble liberación de tipo tijera y cerca de tubo de vidrio al vacío. Iniciar la evacuación y establecer los parámetros de temporizador. Conecte las cámaras a sus unidades de liberación magnéticos. Iniciar grabación de la cámara continua. Nota: Debido a la alta intensidad del LED de iluminación de campo brillante, un tiempo de exposición suficientemente corto de la cámara de alta velocidad puede ser elegido de modo que el movimiento de las partículas durante la exposición es insignificante. Además de eso, el F-parada del objetivo de la cámara se debe establecer en valores suficientemente altos como para extender la profundidad de foco sobre todo el diámetro de la torre de caída. Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, encender la iluminación, pulse el botón de inicio y descargar las secuencias de imágenes. Las colisiones de alta velocidad (gran torre de caída): Cargue las muestras en la doble victoriag trampilla mecanismo de liberación y el acelerador y cerrar el tubo de vidrio al vacío. Iniciar la evacuación y establecer los parámetros de temporizador. Iniciar grabación de la cámara continua. Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, encender la iluminación y pulse el botón de inicio. Descargar las secuencias de imágenes. Nota: Debido a la alta intensidad del LED de iluminación de campo brillante, un tiempo de exposición suficientemente corto de la cámara de alta velocidad puede ser elegido de modo que el movimiento de las partículas durante la exposición es insignificante. Además de eso, el F-parada del objetivo de la cámara se debe establecer en valores suficientemente altos como para extender la profundidad de foco sobre todo el diámetro de la torre de caída. 4. Experimentos Ejemplo Cargar las muestras con cuidado en el mecanismo de liberación adecuado. Colisiones de baja velocidad (mecanismo de liberación doble; 0,09 m / s): 5 cm frente a 5 cm, que rebota. Cargar las muestras en dos mecanismos de liberación de tipo tijera. Aalcanzar velocidades de colisión de 0,09 m / seg, coloque la partículas de 7 mm entre sí y establecer el tiempo de retardo de los mecanismos de liberación de 9 ms. Nota: A esta velocidad de impacto, las muestras de polvo rebotan entre sí después de la colisión. La secuencia de imágenes es capturado por una cámara de alta velocidad de caída libre (ver Película 6). Las colisiones de alta velocidad (de aceleración electromagnética; 7,4 m / s): 2 cm vs 2 cm, la fragmentación. Cargue una muestra sobre el mecanismo de liberación trampilla de doble ala; colocar la otra muestra en el soporte de la muestra del acelerador-etapa lineal. Nota: Para lograr velocidades de colisión de 7,4 m / s, el agregado de polvo inferior se aceleró suavemente hacia arriba con 2 g, al mismo tiempo que el agregado de polvo superior cae. A una velocidad relativa de 7,4 m / seg, el fragmento de muestras de polvo (ver la película 7). Colisión de alta velocidad de pequeños agregados en grandes agregados: 0,5 cm vs 5 cm, la transferencia de masa. ª Cargae gran muestra sobre un mecanismo de liberación de tijera; colocar la muestra más pequeña en el soporte de la muestra del acelerador de la primavera. Nota: Para lograr velocidades de colisión necesarios para la transferencia de masa, el agregado de polvo inferior se aceleró suavemente hacia arriba, al mismo tiempo que el agregado de polvo superior cae. A esta velocidad relativa, los fragmentos y las transferencias una pequeña cantidad de masa sobre la muestra más grande de muestra más pequeños. Como la cámara cae a lo largo de la partícula superior (más masiva), las imágenes tomadas por la cámara de alta velocidad dan la impresión de una partícula grande más o menos en reposo (ver la película 8), que no es cierto, como se ve desde el exterior de la torre de caída. Cerrar el tubo de vidrio al vacío. Abra cuidadosamente la válvula de vacío a las bombas para iniciar la evacuación lenta y establecer los parámetros de temporización a la diferencia de tiempo requerido para que la velocidad de colisión deseado. Conecte las cámaras a sus unidades de liberación (si se utilizan cámaras de caída libre).Iniciar grabación de la cámara continua y encender la iluminación. Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, pulse el botón de liberación para iniciar la secuencia de temporizador. Descargar las secuencias de imágenes grabadas por las cámaras de alta velocidad a un ordenador. 5. Análisis de Datos Elija un valor de gris umbral adecuado entre el fondo y el valor de gris de los objetos. Crear una imagen binaria en base a este umbral estableciendo píxeles con valores de gris por encima del umbral de blanco (valor binario 1) y los píxeles con valores de gris inferiores a negro (valor binario 0). Determine la posición del centro de las partículas de la masa en cada una de las imágenes. Una buena aproximación para determinar el centro de masa de partículas simétricas es el centro del área proyectada. Este se calcula a partir de imágenes binarizadas. Utilice la posición relativa de los centros de masa de los objetos y la información de tiempo a partir de las imágenes de la cámara para calcular lavelocidad relativa (ver la película 9). Las pendientes de la curva de posición se muestran en el lado derecho de la película 9. En caso de una colisión rebotes, determinar las velocidades relativas antes y después del contacto. Calcular el coeficiente de restitución, es decir, la relación de la velocidad después de la colisión y antes. Trazar la velocidad relativa contra el coeficiente de restitución. Un ejemplo de este análisis se muestra en la Figura 4. Figura 4. Ejemplo del análisis de rebote colisiones. El coeficiente de restitución, es decir, la relación de la velocidad de rebote y la velocidad de impacto, se representará gráficamente como una función de la velocidad de colisión. Los círculos muestran los datos de los agregados de polvo esféricas de 2 cm diámetroter 13 (véase la Figura 2), los triángulos indican colisiones entre los agregados de polvo cilíndricas de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura (ver figura 2) y dos factores de llenado del volumen diferentes de 0,3 y 0,4, respectivamente 12. Los datos muestran una tendencia de disminución de coeficiente de restitución con el aumento de la velocidad de impacto. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Si fragmento de una o ambas partículas, determinar los tamaños de como muchos de los fragmentos más grandes como sea posible mediante la medición de sus respectivas áreas proyectadas y asumiendo formas apropiadas. Si se produce la fragmentación de una sola partícula, por lo general transfiere una cierta cantidad de su masa a la partícula de sobrevivir. Determinar la cantidad de masa transferida por la medición del volumen acretado, asumiendo una forma y porosidad adecuada para cuantificar la masa transfe-R eficiencia.