מעבדה בגלילה מגדלים לסימולציה הניסויית של התנגשויות אבק-המצרפי במערכת השמש המוקדמת

זהירות: בהתאם לhazardousness של החלקיקים בשימוש, אשר ניתן למצוא בגיליונות נתוני הבטיחות המתאימים, פה הגנה וציוד בטיחות חייבת להיות משוחק על ידי האדם בעבודה עם האבק. מומלץ גם להשתמש במערכת יניקה כדי לשמור על אוויר אבק ללא סביבה. 1. הכנת דגימות אבק מצטבר סנטימטר בגודל לחשב את כמות חומר הנדרש על ידי מ '= Φ ρ 0 V, כאשר m הוא המסה הנדרשת, Φ הוא גורם נפח מילוי הרצוי (גורם נפח מילוי = 1 – נקבוביות), ρ 0 הוא צפיפות החומר, וV הוא הנפח של המדגם. 77 גרם של אבק סיליקט סדיר (2.6 גר '/ סנטימטר 3 ρ 0 =) נדרש כדי להשיג נקבוביות מדגם של 70% (גורם נפח מילוי = 0.3) למדגם גלילי של 5 ס"מ קוטר וגובה, בהתאמה. הערה: כינונה של PLA היבשתירשתות מתחילה עם קרישה של גרגרים בגודל מיקרומטר אבק – בעיקר מורכבים מסיליקטים – לתוך גוף נקבובי סנטימטר בגודל. חומר אנלוגי מעבדה נלמדת היטב ומתאים הוא SiO 2, שהוא זמין כאבקה בצורת לא סדירה עם התפלגות גודל הנעה .5-10 מיקרומטר, כמו גם בצורה של גרגרים כדוריים monodisperse להשוואה טובה יותר למודלים תיאורטיים (ראה טבלה 1 ואיור 1). SiO סוג התבואה 2-מונומר יצרן קוטר חלקיקים צורת חלקיקים דמות דוגמא Monodisperse Micromod 1.52 ± 0.06 & # 181; מ ' כדורי איור 1 (משמאל) Polydisperse סיגמה אולדריץ 0.1-10 מיקרומטר לא סדיר איור 1 (מימין) טבלת 1. מאפיינים של SiO 2 החלקיקים משמשים בניסויים התנגשות האבק מצטבר. איור 1. תמונות אלקטרונים מיקרוסקופית של monodisperse (משמאל) וpolydisperse (מימין) SiO 2 חלקיקים המשמשים לייצור של אגרגטים אבק מקרוסקופית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <ol להתחיל = "2"> קח את מיכל עם SiO 2 חלקיקים בגודל מיקרומטר (ראה טבלה 1) ושופך את תכולתו על מסננת עם גודל רשת של 0.5 מ"מ. לנפות כמות מספקת של חומר ולמלא את המסה מחושבת לתוך התבנית. לדחוס את החומר בעובש על ידי דחיפה בבוכנה ביד עד שיגיע לגובה המדגם (לדוגמא 5 ס"מ). תסתובב העובש על הבוכנה, לפתוח את צלחת הבסיס ודחף בעדינות את המדגם החוצה. הערה: ניתן לייצר דוגמאות בכמה צורות (כדוריות וגלילי), גודל (1 מ"מ ל10 סנטימטר) וporosities (60-85%) (ראה איור 3). לאחר מכן ניתן להשתמש דגימות בנפרד בניסויים ההתנגשות או בשילוב לאשכולות, אשר לאחר מכן מתנגשים עם אגרגטים או אשכולות אחרים. איור 2. תצלום של. הווריאציה של גודל מדגם אבק מצטבר וצורות הדגימות הבאות מוצגות: בלוני אבק עם 1 סנטימטר, 2 סנטימטר, וקוטר 5 סנטימטר (בשורה אחורית), כדורי אבק עם 1 סנטימטר וקוטר 2 סנטימטר (שורה במרכז), ו 2-3 מ"מ בגודל Al 2 O 3 כדורים (קדמי). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. לאפיין את הדגימות ביחס לנקבוביות והומוגניות. אם דגימות נופלות שוליים הורשו לצאת החוצה, לייצר דגימות חדשות. על מנת לקבוע את הנקבוביות של מדגם האבק, לקבוע את נפחו על ידי מדידת ממדיו והמסה שלו בדרך של איזון מדויק. השתמש טומוגרפיה רנטגן (XRT) 12 כדי לקבל מידע על ההומוגניות והפצה נקבובית בגודל של המדגם מיוצר. הערה: לקבלת אגרגטים אבק 5 סנטימטר בגודל, מצאנו סטיות מממוצע הנפח מילוי פקטוr, כלומר היחס בין צפיפות המסה של המדגם וצפיפות החומר של חלקיקי מונומר האבק, רק כ -1% בכמות הגדולה של הנפח של הדגימות ועלייה מעט גדולה יותר של גורם נפח מילוי של עד 8% לכיוון הגבולות החיצוניים 12. איור 3 מציג שחזור XRT של חתך דרך צבירה אבק גלילית של 5 ס"מ קוטר וגובה 5 סנטימטר. אנחנו לא משתמשים בXRT עבור כל צבירה אבק אלא לבחון את המבנה והומוגניות הפנימיים של דגימות אקראיות. איור 3. שיקום של המבנה הפנימי של דגימת אבק מצטבר גלילית של 5 ס"מ גובה וקוטר 5 סנטימטר לאחר ניתוח XRT. הסולם האפור מציין את גורם מילוי הנפח, שהוא היחס בין צפיפות המסה של tהוא לטעום וצפיפות החומר של חלקיקי מונומר האבק. משחזור XRT, הוא נראה בבירור שמדגם גבוה נקבוביות זה הורכב באמצעות אגרגטים אבק מ"מ בגודל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. 2. עיקרון הגדרת Drop מגדל מנגנוני שחרור: בחלקו העליון של מגדל הטיפה שני מנגנוני שחרור מחוברים אחד על גבי השני. כל אחד מהם מחזיק במדגם ומשחרר אותו לצניחה חופשית. הפרש הזמן בין שחרורו של העליון והתחתונים החלקיקים קובע את המהירות היחסית של ההתנגשות. על פי המורפולוגיה והצורה של החלקיקים, מנגנוני שחרור מתאימים שנבחרו. אם נעשה שימוש במנגנון האצת חלקיקים, נדרש רק אחד מנגנון שחרור. מנגנון שחרור חלקיקים-on-a-מחרוזת (דגימות כדוריות, uppחלקיקי ER): מנגנון שחרור זה מורכב ממגנט סולנואיד ליניארי וחתיכת דלפק מתכת מוצקה. צרף את החלקיקים להשתחרר למחרוזת. החזק את המחרוזת במקום על ידי ההידוק שלו בין מגנט סולנואיד וחתיכת דלפק המתכת מוצקה. כדי לשחרר את החלקיקים, להחיל זרם חשמלי למגנט סולנואיד (ראה סרט 1). מלכודת דלת מנגנון שחרור (דגימות כדוריות, חלקיק נמוך יותר): מנגנון שחרור זה מורכב ממגנט סולנואיד סיבובי כדי שבעל חלקיקים מצורף. הנח את החלקיקים לתוך תבנית חצי כדורית, שהוא הסתובב כלפי מטה על ידי סולנואיד סיבובי כאשר זרם חשמלי מוחל (ראה סרט 1). גם מנגנון זה יכול לשמש עבור שחרורו של צבירי חלקיקים או גושים המצרפי. במקרה אחרון זה, הר שני מנגנוני שחרור מלכודת דלת מעל אחד אחר (ראה סרט 2). </ol> מנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג (דגימות גליליות): מנגנון שחרור זה מורכב משני זוגות של מגנטים סולנואיד סיבוביים שבה מוט מתכת מחובר למחשב. שני המגנטים סולנואיד של כל מנגנון שחרור ממוקמים כך ששתי מוטות המתכת מקבילות. מקם את שתי דגימות על גבי שתי מוטות מקבילות כל אחד. החל זרם חשמלי לשני solenoids סיבובי כדי לשחרר את החלקיקים בנפילה חופשית. (ראה סרט 3). מנגנון שחרור מלכודת דלת פעמיים כנף (דגימות גליליות, בשילוב עם מנגנון האצת חלקיקים): מנגנון שחרור זה מורכב משני לוחות מתכת קפיץ, אשר יחד יוצרים בעל חלקיקים בצורת V. שתי לוחיות המתכת מוחזקות במקום על ידי מוט מתכת, שמחובר לאבן שואבת סולנואיד סיבובית. מניחים את מדגם האבק הגלילי על מלכודת הדלת הסגורה. לפתוח את הדלת שעל ידי יישוםזרם חשמלי למגנט סולנואיד. כדי להימנע מהקפצה עצמית של הדלתות, בלמי מערבולתיים לעצור אותם (ראה סרט 4). הערה: חשוב כדי לשחרר את החלקיקים לצניחה חופשית בלי מהירות וסיבוב ראשון. לשם כך מספר מנגנוני שחרור פותחו (2.1.1 – 2.1.4). מנגנוני האצת חלקיקים: מאיץ חלקיקים או על ידי קפיץ טעון מראש או על ידי במה ליניארי מונע אלקטרו מגנטי. יכולים להיות מצוידים בשני מאיצים עם מדגם המחזיקים עבור חלקיקים בצורה שונה. אלקטרוניקה שליטה: הגדר את הטיימר ולשחרר אלקטרוניקה לערכים המתאימים כדי להשיג את מהירות התנגשות הרצויה ולהפעיל את המצלמה במסגרת המרכז של המסה. הערה: התזמון של שחרור החלקיקים, האצת חלקיקים ושחרור מצלמה מתבצע על ידי מערכת של טיימרים אלקטרוניים, פונקציונלי שמוסברת בMovie 5. 3. ניסויי הבמה התנגשויות מהירות נמוכה (מגדל טיפה קטן): דגימות טען למנגנון שחרור כפול מספריים מהסוג ושפופרת זכוכית ואקום קרובה. התחל פינוי ולהגדיר את פרמטרי טיימר. צרף מצלמות ליחידות השחרור המגנטי שלהם. להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה. הערה: בשל העצמה הגבוהה של התאורה בהירה שדה LED, ניתן לבחור זמן חשיפה קצר מספיק של המצלמה במהירות גבוהה, כך שתנועת החלקיקים בחשיפה זניחה. נוסף על כך, ו-stop של המצלמה אובייקטיבית חייב להיות מוגדר לערכים גבוהים מספיק כדי להאריך את העומק של מוקד על כל הקוטר של מגדל הטיפה. כאשר מגיעה לאיכות הוואקום הרצויה, מפעיל את התאורה, לחץ על לחצן ההתחלה ולהוריד את רצפי תמונה. התנגשויות במהירות גבוהה (מגדל טיפה גדול): דגימות טען לפעמים לנצחמנגנון גרם מלכודת דלת שחרור ומאיץ ולסגור את שפופרת הזכוכית הריק. התחל פינוי ולהגדיר את פרמטרי טיימר. להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה. כאשר מגיעות לאיכות הוואקום הרצויה, לעבור על תאורה וללחוץ על הכפתור התחל. הורד את רצפי תמונה. הערה: בשל העצמה הגבוהה של התאורה בהירה שדה LED, ניתן לבחור זמן חשיפה קצר מספיק של המצלמה במהירות גבוהה, כך שתנועת החלקיקים בחשיפה זניחה. נוסף על כך, ו-stop של המצלמה אובייקטיבית חייב להיות מוגדר לערכים גבוהים מספיק כדי להאריך את העומק של מוקד על כל הקוטר של מגדל הטיפה. 4. ניסויי דוגמא טען את הדגימות בזהירות לתוך מנגנון השחרור המתאים. התנגשויות במהירות נמוכה (מנגנון שחרור כפול; 0.09 מ '/ שנייה): 5 סנטימטר לעומת 5 סנטימטר, מקפץ. טען את הדגימות לשני מנגנוני שחרור מספריים מסוג. אללהשיג מהירויות התנגשות של 0.09 מ '/ שנייה, הנח את מ"מ 7 החלקיקים בנפרד ולהגדיר את העיכוב של מנגנוני שחרור הזמן 9 אלפיות שניים. הערה: במהירות השפעה זו, דגימות האבק להקפיץ את אחד את השני לאחר ההתנגשות. התמונה ברצף הוא נתפס על ידי מצלמה חופשית נופלת במהירות גבוהה (ראה סרט 6). התנגשויות במהירות גבוהה (מאיץ האלקטרומגנטי; 7.4 מ '/ שנייה): 2 סנטימטר לעומת 2 סנטימטר, פיצול. טען מדגם אחד על מנגנון שחרור מלכודת הדלת הכפולה כנף; מניח את המדגם האחר על בעל המדגם של המאיץ ליניארי השלבים. הערה: כדי להשיג מהירויות התנגשות של 7.4 מ '/ שנייה, הצבירה האבק התחתונה בצורה חלקה מואצת כלפי מעלה עם 2 גר', ובמקביל הצבירה האבק העליונה נופלת. במהירות היחסית של 7.4 מ '/ שנייה, שבר דגימות אבק (ראה 7 סרט). סנטימטר 0.5 לעומת 5 ס"מ, העברת מסה: התנגשות במהירות גבוהה של אגרגטים קטנים על אגרגטים גדולים. ה טעןדואר מדגם גדול על מנגנון שחרור מספריים מסוג; מניח את המדגם הקטן יותר על בעל המדגם של מאיץ האביב. הערה: כדי להשיג מהירויות התנגשות הנדרשות להעברה המונית, הצבירה האבק התחתונה בצורה חלקה מואצת כלפי מעלה, ובמקביל הצבירה האבק העליונה נופלת. במהירות היחסית הזה, שברי מדגם הקטנים יותר והעברות כמות קטנה של מסה על המדגם הגדול יותר. כמו המצלמה נופלת לאורך החלקיק העליון (מאסיבי יותר), התמונות שצולמו על ידי המצלמה במהירות גבוהה נותנים את הרושם של חלקיקים גדולים יותר או פחות במנוחה (ראו סרט 8), דבר שאינו נכון כפי שניתן לראות מהחלק החיצוני של מגדל הטיפה. סגור את שפופרת הזכוכית הריק. בזהירות לפתוח את שסתום הוואקום למשאבות להתחיל פינוי איטי ולהגדיר את הפרמטרים טיימר לפער הזמן הנדרש למהירות התנגשות הרצויה. צרף מצלמות ליחידות שחרורם (אם מצלמות נפילה חופשיות נמצאות בשימוש).להתחיל בהקלטת מצלמה רציפה ולעבור על תאורה. כאשר מגיעה לאיכות הוואקום הרצויה, לחץ על לחצן השחרור ליזום רצף טיימר. הורד את רצפי התמונה הוקלטו על ידי המצלמות במהירות גבוהה למחשב. 5. ניתוח נתונים בחר ערך סף אפור ראוי בין הרקע וערך האפור של האובייקטים. יצירת תמונה בינארית המבוססת על סף זה על ידי הגדרת פיקסלים עם ערכים אפורים מעל הסף ללבן (ערך בינארי 1) ופיקסלים עם ערכים אפורים נמוכים לשחור (ערך בינארי 0). לקבוע את מיקומו של מרכז מסת החלקיקים בכל אחת מהתמונות. קירוב טוב כדי לקבוע את מרכז המסה עבור חלקיקים סימטריים הוא המרכז של האזור המוקרן. זו מחושבת מתמונות binarized. השתמש במיקום היחסי של המרכזים 'האובייקטים של מסה והמידע בזמן מתמונות המצלמה כדי לחשב אתמהירות היחסית (ראה 9 סרט). המדרונות של עקומת המיקום מוצגים על יד ימין בצד של 9 סרטים. במקרה של התנגשות ריבאונד, לקבוע את המהירויות היחסית לפני ואחרי המגע. לחשב את המקדם של השבת, כלומר היחס בין המהירות לאחר ההתנגשות ולפני כן. עלילה המהירות היחסית נגד מקדם של השבת. דוגמא של ניתוח זה מוצגת באיור 4. איור 4. דוגמא לניתוח של הקפצת התנגשויות. המקדם של השבת, כלומר היחס של מהירות הריבאונד ומהירות ההשפעה, הוא להתוות כפונקציה של מהירות ההתנגשות. חוגים מראים מידע לאגרגטים אבק כדוריים של 2 סנטימטר diameter 13 (ראה איור 2), משולשים לציין התנגשויות בין אגרגטים אבק גליליים של 5 ס"מ קוטר וגובה 5 סנטימטר (ראה איור 2) ושני גורמי מילוי נפח שונים של 0.3 ו0.4, בהתאמה 12. הנתונים מראים מגמת ירידה במקדם של השבת עם מהירות השפעה הולכת וגוברת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. אם בר חלקיקים אחד או שניהם, לקבוע את הגודל של כרב של שברים הגדולים ככל האפשר על ידי מדידת האזורים הצפויים המיוחסים להם ובהנחת צורות מתאימות. אם פיצול של רק אחד חלקיקים מתרחש, בדרך כלל מעביר כמות מסוימת של המסה שלו לחלקיק ששרד. קבע את כמות המסה שהועברה על ידי מדידת הנפח הצטבר, בהנחה שצורה ונקבובית מתאימים לכמת ההמוני transfer יעילות.