实验室落塔的粉尘聚集在碰撞早期太阳系的实验模拟

注意：根据所使用的颗粒，它可以在相应的安全数据表中找到的危害性，口腔保护和安全装置必须由具有防尘工作的人佩戴。此外，还建议使用抽气系统，以保持环境空气无尘。 1，制备厘米大小的灰尘聚集样片由米计算所需材料的量=Φρ0 V，其中m是所要求的质量，Φ是所需的体积填充率（体积填充率= 1 -孔隙度），ρ0是材料的密度，V是体积样品。 77克不规则硅酸盐粉尘（ρ0 = 2.6克/厘米3）是必需的，以实现70％的样品的孔隙率（体积填充率= 0.3）为5cm直径和高度的圆柱状样品，分别为。 注：解放军地面形成网开始微米大小的尘埃颗粒的混凝 – 主要由硅酸盐 – 成厘米大小的多孔体。甲充分研究和合适的实验室模拟材料为SiO 2，其可为不规则形状的粉末具有粒度分布范围从0.5到10μm，以及在单分散的球形颗粒获得更好的可比性，以理论模型的形式（见表1和图1）。 SiO 2的单体粒型生产厂家粒径颗粒形状例如图单分散 Micromod 1.52±0.06＆＃181;米球形 图1（左） 多分散 Sigma-Aldrich公司 0.1 – 10微米不规​​则 图1（右） 表1特性中的灰尘聚集碰撞实验中使用的SiO 2的粒子。 单分散（左）和多分散（右）二氧化硅用于生产宏观灰尘聚集体颗粒2图1。电子-显微镜图像。 请点击此处查看该图的放大版本。 <ol开始=“2”> 采取与微米尺寸的SiO 2颗粒的容器（ 见表1），其内容为0.5mm的筛目尺寸倒入筛子上。筛材料的足够量和填补计算质量到模具中。通过用手推压在活塞直到样品高度达到压缩该材料在模具中（ 例如，5厘米）。转身对活塞模具，打开底板，轻轻样品推出。 注意：样品可以以多种形状（球形，圆柱形），大小（1毫米至10厘米）和孔隙率（60〜85％）来制备（参见图3）。样品可以被单独使用在碰撞实验或组合成群集，然后撞击其它聚集体或簇。 图2。的照片。灰尘聚集样品的尺寸和形状的变化的下列样品都显示：灰尘气瓶1厘米，2厘米，和直径为5厘米（后排），粉尘球体用1厘米，直径2厘米（中间行），并2-3毫米大小的Al 2 O 3球（正面）。 请点击此处查看该图的放大版本。 表征样品相对于孔隙度和均匀性。如果样品落在外面允许的利润，产生新的样本。 为了确定灰尘样品的孔隙率，由一个精确的平衡装置，测量其尺寸和它的质量决定了其体积。 使用X-射线断层扫描技术（XRT）12获得的均匀性和所生成的样品的孔隙大小分布的信息。 注：对于5厘米大小的灰尘聚集，我们发现偏离平均体积填充事实R， 即该样品的质量密度的比值和单体的灰尘颗粒，只有约1％的体积的样品体积的范围内，并通过到一个稍大的增加的体积填充率的材料密度朝向外边界12 8％。 图3示出了通过直径为5厘米和5厘米的高度的圆柱形灰尘聚集的切口的XRT重建。我们不使用XRT每个灰尘聚集，但检查随机样本的内部结构和均匀性。 为5厘米的高度和XRT分析后的5厘米直径的圆筒状灰尘聚集样品的内部结构的图3。重构。的灰度级表示的体积填充率，这是吨的质量密度的比值他样品和单体的尘埃微粒的物质的密度。从XRT重建，它是清晰可见的，这种高孔隙度样品用毫米大小的尘埃聚集组装。 请点击此处查看该图的放大版本。 落塔安装2。原理释放机制： 在落塔的上部两个释放机制被附接一个在另一个的上面。他们每个人都拥有一个样本，并释放它变成自由落体。上部的释放和较低的颗粒之间的时间差确定碰撞的相对速度。根据形态和粒子的形状，合适的释放机构被选择。如果一个粒子加速机制被使用时，仅需要一个释放机构。 颗粒上的一个字符串释放机制（球形样品，UPP呃颗粒）： 本次发布机构由线性螺线管磁体和固体金属计数器一块。 连接被释放到一个字符串的颗粒。通过螺线管磁体和实心金属计数器片之间的夹紧它保持在字符串中的位置。 以释放粒子，施加电流到螺线管磁体（参见电影1）。 活板门释放机制（球形样品，较低的颗粒）： 本次发布机构由旋转螺线管磁铁，把一个粒子支架连接的。 将微粒成半球形模，这是向下的旋转螺线管，当一个电流施加（见电影1）旋转。 这一机制也可用于颗粒簇或聚集团块的释放。在后一种情况下，将两片活板门释放装置上面彼此（见电影2）。 </oL> 剪刀型双释放机制（圆柱试样）： 本次发布机制包括两对旋转螺线管磁体的金属棒连接。每个释放机构的两个电磁体被放置，使得两个金属棒平行。 两个样本放置到所述两个平行的杆。 施加电流到两个旋转螺线管的颗粒释放到自由下落。 （见电影3）。 双翼陷门释放机制（圆柱试样，在与粒子加速机制组合）： 这释放机构包括两个弹簧加载的金属板，它们共同形成一个V形的粒子支架。两个金属板，以代替由一个金属棒，它是连接到一个旋转螺线管磁体保持。 将圆柱形粉尘采样到封闭的活板门。 通过应用解锁陷阱门电流给螺线管磁体。为了避免弹跳回门的，涡流制动器阻止他们（见电影4）。 注意：在颗粒释放到自由下落而不初始速度和旋转是非常重要的。出于这个目的，一些发行机制已经发展（2.1.1 – 2.1.4）。 粒子加速机制： 或者通过一个预加载的弹簧或由电磁驱动的直线加速阶段的颗粒。既促进剂可配用于不同形状的粒子的样品架。 电子控制设备： 设置定时器，并释放电子到适当的值，以实现所需的碰撞速度和操作相机在质心的一帧。 注：颗粒释放，粒子加速和照相机释放的时间是由一组电子计时器，其功能在M被解释执行OVIE 5。 3，进行实验低速碰撞（小降塔）： 负载样品放入剪刀型双释放机制，并接近真空的玻璃管。 开始疏散，并设置定时器参数。 连接相机至其磁脱扣单元。开始连续摄像头录制。 注意：由于LED的亮场照明的高强度，高速相机的足够短的曝光时间，可以选择这样的曝光过程中颗粒的运动可以忽略不计。最重要的是，在光圈的相机目标必须设置为足够高的值，延长深度焦在落塔的整个直径。 当达到所需的真空质量，开关照明，按下启动按钮，并下载图像序列。 高速碰撞（大落塔）： 负载样品到双赢克活板门释放机制和加速器，并关闭真空玻璃管。 开始疏散，并设置定时器参数。 开始连续摄像头录制。当达到所需的真空品质，开启灯光，并按下启动按钮。下载的图像序列。 注意：由于LED的亮场照明的高强度，高速相机的足够短的曝光时间，可以选择这样的曝光过程中颗粒的运动可以忽略不计。最重要的是，在光圈的相机目标必须设置为足够高的值，延长深度焦在落塔的整个直径。 4例实验谨慎地装载样品到适当的释放机制。 低速碰撞（双重释放机制;0.09米/秒）：5公分比5厘米，弹跳。 加载样本分为两个剪刀式释放机制。至实现0.09米/秒的碰撞速度，将粒子7毫米并设置释放机制的时间延迟到9毫秒。 注：在此冲击速度，灰尘样品弹开对方碰撞后。图像序列是由一个自由落体高速摄像机（见电影6）抓获。 高速碰撞（电磁加速器;7.4米/秒）：2厘米比2厘米，碎片。 加载一个样本到双翼陷门释放机制;将其他样品的线性阶段加速器的样品夹持器。 注意：为了实现7.4米/秒的碰撞速度，较低的灰尘聚集体顺利地加速上行用2克，同时上部灰尘聚集降低。在7.4米/秒的相对速度，灰尘样品片段（见电影7）。 对大骨料小聚合高速碰撞：0.5厘米比5厘米，传质。 负载日Ë大样本到一个剪刀式释放机制;将小样品在弹簧加速器的样品夹持器。 注：为了达到所需的质量传递的碰撞速度，较低的灰尘聚集顺利加速上行，同时上聚集的灰尘落入。在这个相对速度，更小的样品碎片和传输少量的质量到更大的样本。由于相机落在沿上（更大规模的）粒子，采取高速摄像机的图像给大颗粒的印象，或多或少在休息（见电影8），从外面看这是不正确的落塔。 关闭真空玻璃管。 小心打开真空阀，泵启动缓慢疏散，并设置定时器参数，为所需的碰撞速度所需的时间差。 连接相机至其释放器（如果自由落体摄像机使用）。开始连续摄像头录像并开启照明。 当达到所需的真空质量，按下释放按钮启动定时器序列。 下载记录的高速摄像机到计算机的图像序列。 5。数据分析选择的背景和对象的灰度值之间的一个合适的阈值的灰度值。通过设置具有高于阈值灰度值的像素为白色（二进制值1），像素较低的灰度值，以黑色创建基于此阈值的二值图像（二进制值0）。 求出质量的粒子的在每个图像的中心的位置。一个很好的近似，以确定质量中心为对称的粒子是投影区域的中心。这是从二值化后的图像来计算。 使用质量的物体的中心的相对位置，时间信息从相机中的图像来计算相对速度（见电影9）。位置曲线的斜率显示在电影9的右手边。 如果发生碰撞反弹的，确定前后联系的相对速度。计算恢复系数， 即速度的碰撞和前后的比率。暗算恢复系数的相对速度。这种分析的一个例子示于图4。 图4实施例的碰撞反弹的分析。恢复系数， 即回弹速度与冲击速度的比值，被绘制为碰撞速度的函数。圆圈显示的数据为2厘米直径球形聚集的灰尘之三13（参见图2），三角形表示碰撞直径为5厘米和5厘米的高度的圆柱形灰尘聚集体之间（ 见图2），而在0.3和0.4两个不同的体积填充因子，分别为12。数据显示减少恢复原状随着冲击速度的系数的趋势。 请点击此处查看该图的放大版本。 如果一个或两个粒子片段，确定尽可能多地通过测量它们各自的投影面积，并假设适当形状的最大片段的大小。 如果出现只有一个粒子的碎片，它通常一定量的质量转移到幸存的颗粒。确定传送质量的量通过测量增生体积，假定适当的形状和孔隙率来量化质量transfe效率较低。