原始太陽系におけるダスト凝集衝突の実験的シミュレーションのための研究室のドロップタワー

注意：対応する安全性データシートに記載されています使用される粒子の有害性に応じて、口の保護と安全装置が埃で作業者が着用する必要があります。また、周囲の空気のダストフリーを維持するために吸引システムを使用することを推奨します。 CMサイズのダスト集計サンプルの1。準備 mで必要な材料の量を計算=Φρmは質量であり、必要なV 0、Φは、（= 1体積充填率-多孔性）は、所望の体積充填率であり、ρ0は材料密度であり、Vは体積であるサンプルの。不規則なケイ酸塩粉77gのは、（ρ0 = 2.6グラム/ cm 3の） は 、それぞれ、直径5cm、高さの円筒状の試料について、70％の試料の空隙率（体積充填率= 0.3）を達成するのに必要とされる。 注：地上ナンプラーの形成を主にケイ酸塩で構成 – – センチサイズの多孔体へのネットは、マイクロメートルサイズのダストの凝集から始まります。よく研究し、適切な実験室のアナログ素材（ 表を参照の理論モデルにより良い比較のための単分散球状粒子の形でだけでなく、0.5〜10μmの範囲のサイズ分布を有する不定形粉末として提供されていたSiO 2であり、 1および図1）。 SiO 2系モノマー粒タイプメーカー粒径粒子の形例図単分散の Micromod 1.52±0.06＆＃181;メートル球状 図1（左） 多分散系のシグマアルドリッチ 0.1から10ミクロン不規則な 図1（右） 表1。ダスト凝集体の衝突実験で使用したSiO 2粒子の特性。 図1電子顕微鏡検査単分散の画像（左）と多分散（右）はSiO巨視的ダスト凝集体の製造に使用される2粒子。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 <ol開始= "2"> ミクロンサイズのSiO 2粒子を有する容器（ 表1を参照）を取り、0.5mmのメッシュサイズの篩上にその内容を注ぐ。十分な量の材料をふるいにかけると金型に計算された質量を埋める。試料の高さに到達するまで手でピストンを押し込むことにより、金型内で材料を圧縮する（ 例えば 5cm）に。 、ピストンにカビ好転ベースプレートを開き、ゆっくりとサンプルを押し出す。 注：サンプルは、いくつかの形状（球形及び円筒形）で製造することができ、サイズ（10個cmの1mm）の気孔率及び（60mL 85％）とすることが好ましい（ 図3参照）。次に、試料を衝突実験で、個々に使用したり、他の凝集体またはクラスターと衝突クラスタにまとめることができます。 図2の写真防塵集計サンプルサイズと形状の変化、次のサンプルが示されています。1cmから直径2cm（中央列）で1cmの2センチメートル、および直径5cm（後列）、ダスト球でダストシリンダー、および2〜3ミリメートルサイズの Al 2 O 3球（フロント）。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 多孔性および均一性に関してサンプルを特徴付ける。サンプルは外で許可されたマージンを落ちた場合は、新しいサンプルを生成。 ダスト試料の空隙率を決定するために、精密なバランスによって、その寸法とその質量を測定することによりその体積を決定する。 均質性と作成した試料の細孔径分布に関する情報を得るために、X線断層撮影（XRT）12を使用してください。 注：5センチメートルサイズのダストの凝集体のために、我々は事実上の充填平均容積からの逸脱を発見rは、試料の質量密度の比は、試料の体積の大部分中にわずか約1％のモノマーダスト粒子、及び最大による体積充填率の増加がわずかに大きいの材料密度、すなわち外側の境界12に向けて8パーセント。 図3は、直径5cmと5cmの高さの円筒状のダスト集約からカットのXRT再構成を示しています。私たちは、それぞれの塵の集計のためにXRTを使用するが、ランダムなサンプルの内部構造と均一性を調べていない。 図3。5cmの高さおよびXRT分析後の直径5cmの円筒形防塵集計サンプルの内部構造の再構築。グレースケールがTの質量密度の比で体積充填率を示し、彼はサンプリングし、モノマー塵粒の材料密度。 XRTの復興から、この高気孔率のサンプルは、MMサイズのダストの凝集体を用いて組み立てたことがはっきりと見える。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 2。原理ドロップタワーのセットアップ解放機構： 落下塔の上部に2つの剥離機構は一方が他方の上に取り付けられている。それらの各々は、サンプルを保持し、自由落下にそれを解放します。アッパーのリリースと下位粒子間の時間差は、衝突の相対速度を決定します。形態および粒子の形状に応じて、適切な放出機構が選択される。粒子加速機構が使用される場合は、1つの解放機構が必要となる。 粒子·オン·ア·ストリングの解放機構（球状サンプル、UPPER粒子）： この解放機構は、リニアソレノイド磁石と固体金属相手方部片からなる。 文字列中に放出される粒子を取り付けます。ソレノイド磁石と固体金属カウンターピースの間にクランプすることにより所定の位置に文字列を保持します。 （ 動画1を参照）、粒子を解放するソレノイド磁石に電流を印加してください。 トラップドアの解放機構（球状のサンプル、低粒子）： この解放機構は、粒子ホルダが取り付けられたロータリーソレノイド磁石で構成されている。 電流を印加したときの回転ソレノイドによって下方に回転さ半球状の金型、（ 動画1を参照）に粒子を配置します。 この機構はまた、粒子クラスターまたは凝集塊の放出のために使用することができる。この後者の場合には、（ 映画2参照）は、互いに上記の二つのトラップドア解除機構を取り付ける。 </oL> はさみ型の二重の解放機構（円筒状のサンプル）： この解放機構は、金属棒が取り付けられたロータリーソレノイド磁石の二対で構成されている。各解放機構二つのソレノイド磁石は、2つの金属棒が平行になるように配置されている。 各2平行なロッド上に2のサンプルを配置します。 自由落下に粒子を解放するために2回転のソレノイドに電流を適用します。 （ 動画3を参照）。 ダブルウイングトラップドア解放機構（粒子加速機構と組み合わせて、円筒状のサンプル、）： この解放機構は、一緒にV字型のホルダー粒子を形成する2つのバネ付きの金属板からなる。二つの金属プレートは、ロータリーソレノイド磁石に取り付けられた金属棒によって適所に保持される。 クローズドトラップドア上に円筒状のダストサンプルを置きます。 適用することにより、トラップドアのロックを解除ソレノイド磁石に電流。ドアのバウンス·バックを回避するためには、渦電流ブレーキは（ 動画4を参照）、それらを停止します。 注：初期速度と回転せずに自由落下に粒子を放出することが重要です。この目的のために、いくつかの放出機構は、（ ​​- 2.1.4 2.1.1）が開発されている。 粒子加速のメカニズム： プリロードされたスプリングにより、または電磁的に駆動リニアステージのいずれかによって、粒子を加速させる。両方の促進剤は、異なる形状の粒子のためのサンプルホルダーを装備することができる。 制御エレクトロニクス： タイマーを設定し、所望の衝突速度を達成するために、適切な値に電子機器を解放し、質量中心フレームでカメラを操作する。 注：粒子放出、粒子加速、カメラ放出のタイミングは、その機能がMに説明された電子タイマーのセットによって実行されるOVIE 5。 3。実験を行う低速衝突（小型落下塔）： はさみ型の二重解放メカニズムと密接な真空ガラス管に負荷サンプル。 避難を開始し、タイマーパラメータを設定します。 それらの磁気解除ユニットにカメラを取り付けます。連続カメラの録画を開始します。 注：露光中に粒子の運動が無視できるように、LEDにより明視野照明の高輝度に、高速度カメラの十分に短い露光時間を選択することができる。その上、カメラの対物レンズのFストップは、焦点深度落下塔の直径全体にわたるを拡張するために十分に高い値に設定する必要があります。 所望の真空の質に到達すると、点灯のスイッチスタートボタンを押して、画像シーケンスをダウンロードする。 高速の衝突（大粒タワー）： 二重の勝利への負荷のサンプルGトラップドア解除機構とアクセルと真空ガラス管を閉じます。 避難を開始し、タイマーパラメータを設定します。 連続カメラの録画を開始します。所望の真空品質に到達すると、照明のスイッチをオンし、スタートボタンを押してください。イメージシーケンスをダウンロードしてください。 注：露光中に粒子の運動が無視できるように、LEDにより明視野照明の高輝度に、高速度カメラの十分に短い露光時間を選択することができる。その上、カメラの対物レンズのFストップは、焦点深度落下塔の直径全体にわたるを拡張するために十分に高い値に設定する必要があります。 4例の実験慎重に適切な放出機構にサンプルをロードします。 低速衝突（二重解放機構と、0.09メートル/秒）：5cmの対5センチメートル、跳ねる。 2はさみ型放出機構にサンプルをロードします。へ0.09メートル/秒の衝突速度を達成、離れて粒子7ミリメートルを配置し、9ミリ秒の放出機構の遅延時間を設定します。 注意：この衝突速度では、ダストサンプルは衝突後お互いに跳ね返る。画像シーケンスは、自由落下高速度カメラ（ 動画6参照）によって捕捉される。 高速衝突（電磁加速、7.4メートル/秒）：2センチ対2センチメートル、フラグメンテーション。 ダブルウイングトラップドア放出機構に1サンプルを読み込む。リニアステージ加速器の試料ホルダーに他のサンプルを置く。 注：同時に上部ダスト凝集体が落下しながら7.4メートル/秒の衝突速度を達成するために、低いダスト凝集体がスムーズに2 gの上方に加速される。 7.4メートル/秒の相対速度で、ダスト試料断片（ ムービー7を参照）。 大きな集合体の小さな凝集体の高速衝突0.5センチ対5センチメートル、物質移動。 負荷番目はさみ型解放機構へのE大きなサンプル;春の加速器の試料ホルダーに小さいサンプルを置く。 注：同時に上部ダスト凝集体が落下しながら、物質移動に必要な衝突速度を達成するために、低いダスト凝集体がスムーズに上方へ加速される。この相対速度において、より小さな試料断片と大きなサンプル上への転送量を少量。カメラは、上部（より大規模な）粒子沿っ低下すると、高速度カメラで撮影した画像は、外部から見た真実ではないもの、（ 映画8参照）安静時多かれ少なかれ大きな粒子の印象を与える落下塔。 真空ガラス管を閉じます。 慎重にゆっくり排気を開始し、所望の衝突速度のために必要な時間差にタイマーパラメータを設定するためにポンプに真空弁を開く。 （自由落下のカメラが使われている場合）、その解除ユニットにカメラを取り付けます。連続カメラの録画を開始し、照明のスイッチを入れる。 所望の真空の質に到達すると、タイマーシーケンスを開始するために解放ボタンを押してください。 コンピュータへの高速カメラで記録された画像シーケンスをダウンロードしてください。 5。データ解析背景やオブジェクトのグレー値との間に適切なしきい値グレー値を選択しました。ブラック（バイナリ値0）に低いグレー値で（バイナリ値1）ホワイト、ピクセルにしきい値以上のグレー値を持つピクセルを設定することで、このしきい値に基づいてバイナリイメージを作成します。 画像の各々における質量の粒子の中心の位置を決定します。対称粒子に対する質量中心を決定するための良好な近似は、投影面積の中心である。これは、二値画像から計算されます。 計算するためのカメラ画像からの質量のオブジェクトの中心の相対的な位置及び時間情報を使用し相対速度（ 動画9を参照）。位置曲線の傾きが映画9の右手側に示されている。 リバウンド衝突の場合には、前と接触後の相対速度を決定する。前衝突後の速度の比、 すなわち反発係数を計算します。反発係数に対する相対速度をプロットします。この分析の例を図4に示す。 図4の衝突を跳ねるの分析例。反発係数は、反発速度と衝突速度 ​​との比、すなわち 、衝突速度 ​​の関数としてプロットされている。円は2センチディアムの球形ダスト集計のデータを表示ター13（ 図2参照）、三角形は直径5cmおよび5cmの高さの円筒状のダスト凝集体間の衝突を示す（ 図2を参照）、0.3及び0.4の二つの異なる体積充填率は、それぞれ12。データが増加し、衝突速度 ​​と反発係数を減少させる傾向を示している。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。 一方または両方の粒子フラグメント場合は、それぞれの投影面積を測定し、適切な形状を仮定することにより、可能な限り最大の断片のような多くのサイズを決定する。 唯一つの粒子の断片化が発生した場合、それは通常、生き残った粒子にその質量の一定量を転送する。大量transfeを定量化するために適切な形状および気孔率を仮定して、増額体積を測定することによって転送塊の量を決定r個の効率。