مختبر أبراج إسقاط لمحاكاة التجريبية من التصادم الغبار والركام في النظام الشمسي المبكر

الهدف العام من هذا الإجراء هو محاكاة الاصطدامات التجريبية بين مجاميع الغبار في النظام الشمسي المبكر وفهم الخطوات الأولى لتكوين الكواكب. يتم تحقيق ذلك عن طريق تحضير اثنين من مجاميع الغبار المسامية التي تمثل جزيئات الغبار في النظام الشمسي الشاب. تتمثل الخطوة الثانية في إدخال كل من مجاميع الغبار في أحد أبراج إسقاط المختبر ، والتي تم تكييفها لتوليد تصادم بين مجاميع الغبار في ظل ظروف الجاذبية الصغرى.

بعد ذلك ، يتم إجراء التجربة وتسجل الكاميرات عالية السرعة الاصطدام بين مجاميع الغبار. الخطوة الأخيرة هي تحليل التسجيل عالي السرعة للتصادم فيما يتعلق بفقدان الطاقة ونقل الكتلة وتجزئة مجاميع الغبار. في النهاية ، يتم استخدام هذه النتائج لتطوير نماذج فيزيائية لتصادمات ركام الغبار في النظام الشمسي الشاب ، وهي مطلوبة لنمذجة الخطوات الأولى لتكوين الكواكب.

يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مجال تكوين الكواكب ، مثل نتيجة تصادمات اللبنات الأساسية للكواكب. خطرت لنا فكرة هذه الطريقة لأول مرة عندما نبحث عن وسائل لتنفيذ عدد كبير من الاصطدامات منخفضة السرعة جدا بين مجاميع الغبار الهشة. الميزة الرئيسية لهذه التقنية للطرق الحالية مثل مرافق الجاذبية الصغرى التجارية ، هي أنه يمكن إجراء التجارب بشكل متكرر وفعالة من حيث التكلفة في المختبر.

العرض المرئي لهذه الطريقة أمرا بالغ الأهمية حيث يصعب تعلم خطوات تحضير العينة لأن هذه العينات المحضرة هشة للغاية. للبدء ، احسب كمية المادة المطلوبة للشكل المطلوب باستخدام المعادلة التالية. نخل كمية كافية من المواد من خلال شبكة C 0.5 ملم ، واملأ الكتلة المحسوبة في قالب.

ثم قم بضغط المادة داخل القالب عن طريق دفع المكبس يدويا حتى تصل العينة إلى خمسة سنتيمترات. أخيرا ، اقلب القالب رأسا على عقب. افتح لوحة القاعدة وادفع العينة برفق للخارج باستخدام المكبس.

بالنسبة لعينات الجسيمات العلوية الكروية ، استخدم الجسيم على آلية تحرير السلسلة. لإعداد هذا النوع من الإصدارات، قم بإرفاق الجسيم المراد إطلاقه بسلسلة. يتم ذلك أثناء ضغط العينة باستخدام مكبس مع ممر لسلسلة.

أمسك الخيط في مكانه عن طريق تثبيته بين مغناطيس الملف اللولبي وقطعة العداد المعدنية الصلبة لعينات الجسيمات السفلية الكروية. استخدم آلية تحرير باب المصفادة. ابدأ بوضع الجسيم في قالب شبه كروي.

في الوقت المناسب ، قم بتطبيق تيار كهربائي على مغناطيس الملف اللولبي لآلية الإطلاق العلوية فيما يلي. قم بتطبيق تيار كهربائي لتدوير باب المصيدة لأسفل باستخدام ملف لولبي دوراني عند فحص ترتيبات أكثر تعقيدا مثل مجموعات الكرات التي تقوم بتركيب آليتين لتحرير باب المصيدة فوق بعضها البعض. بمجرد تحميل كلتا آليتي باب المصيدة ، قم بتطبيق تيار كهربائي لإطلاق العينات في الأوقات الصحيحة للعينات الأسطوانية.

قم بتركيب آلية تحرير مزدوجة من نوع المقص في مكانها. ثم ضع العينات الأسطوانية برفق على ألواح التحرير. كما كان من قبل ، قم بتطبيق تيار كهربائي على مغناطيس الملف اللولبي لتحرير العينات.

إذا تم تسريع العينة بدلا من السقوط الحر ببساطة ، فاستخدم آلية تسريع الجسيمات مثل المرحلة الخطية التي تعمل كهرومغناطيسيا. عند اختبار العينات الأسطوانية مع تسارع الجسيمات ، استخدم آلية تحرير باب المصيدة مزدوجة الجناح. ضع عينة الغبار الأسطواني على باب المصيدة المغلق.

ثم افتح باب المصيدة عن طريق تطبيق تيار كهربائي على مغناطيس الملف اللولبي. لاحظ كيف تمنع فواصل التيار الدوامي الباب من الارتداد مرة أخرى إلى العينة لتحقيق تصادم منخفض السرعة. سرعات 0.09 متر في الثانية.

ضع أحد الجسيمات التي يبلغ طولها سنتيمترا واحدا في الجسيم على آلية سلسلة والآخر على بعد سبعة ملليمترات في آلية تحرير باب المصفاة. ثم أغلق الأنبوب الزجاجي المفرغ. افتح الصمام بعناية لمضخات التفريغ لبدء الإخلاء البطيء للهواء في الأنبوب.

بعد ذلك ، اضبط التأخير الزمني لآليات الإطلاق على تسعة مللي ثانية. هذا يعني أنه سيتم أولا إطلاق ركام الغبار العلوي وبعد تسعة مللي ثانية ، سيتم تحرير الكاميرا بين الكاميرات التالية ، وتوصيل الكاميرات بوحدات التحرير الخاصة بها وتشغيل الإضاءة. ثم ابدأ التسجيل المستمر.

عند الوصول إلى الفراغ المطلوب الذي يبلغ أفضل من مللي بار واحد ، اضغط على زر التحرير لبدء تسلسل المؤقت عند اكتمال التجربة ، قم بتنزيل تسلسلات الصور المسجلة بواسطة الكاميرات عالية السرعة على جهاز كمبيوتر. قم بإعداد عينتين أسطوانيتين بقطر وارتفاع خمسة سنتيمترات للتصادم عالي السرعة عن طريق تحميل عينة واحدة أولا على آلية تحرير باب المصيدة مزدوجة الجناح ، والأخرى على حامل العينة لمسرع المرحلة الخطية. بمجرد وضع العينات في مكانها ، قم بإعداد الغرفة كما كان من قبل عن طريق إغلاق الأنبوب الزجاجي وفتح صمام التفريغ لإزالة الهواء من الأنبوب.

ثم قم بإعداد توقيت آلية الإطلاق والمسرع الخطي وفقا للظروف المرغوبة. بعد ذلك ، قم بتشغيل الإضاءة المناسبة وابدأ التسجيل باستخدام الكاميرا عالية السرعة. بمجرد الوصول إلى الفراغ المطلوب الذي يزيد عن 0.01 ملليبار، اضغط على زر التحرير لبدء الاصطدام عند الانتهاء.

قم بتنزيل تسلسلات الصور المسجلة بواسطة الكاميرات كما كان من قبل لمجاميع بأحجام مختلفة. قم بتحميل العينة الكبيرة على آلية التحرير ، ثم ضع العينة الأصغر على حامل العينة في دواسة الوقود. توضح صور الفحص المجهري الإلكتروني هذه لجزيئات السيليكا غير المنتظمة أحادية التشتت والمشتت الخصائص الفيزيائية للعينات المستخدمة في تجارب برج الإسقاط المختبري.

يمكن صنع مجاميع الغبار بأحجام وأشكال مختلفة من العينات ، بما في ذلك أسطوانات الغبار بأقطار سنتيمتر واحد ، وسنتيمترين ، وخمسة سنتيمترات وكرات الغبار بأقطار سنتيمتر واحد وسنتيمترين. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجموعات من كرات مضيئة بحجم ملليمترين إلى ثلاثة ملليمترات باستخدام إعادة بناء التصوير المقطعي بالأشعة السينية للهيكل الداخلي لعينة ركام الغبار الأسطواني. من الواضح أن هذه العينة عالية المسامية تم تجميعها باستخدام ملليمتر بحجم مجاميع الغبار.

المقياس الرمادي إلى عامل تعبئة الحجم ، ونسبة كثافة كتلة العينة ، وكثافة المواد لجزيئات غبار المونومر التي ترتد سرعات الاصطدام تم تحليلها عن طريق تتبع مواضع الجسيمات بمرور الوقت لاشتقاق السرعة بعد الاصطدام وقبله. تسمى نسبة هذه القيم معامل الاسترداد وتصف فقدان الطاقة في الاصطدام. يتم رسم معاملات الاسترداد التي تم تحليلها مقابل سرعات الاصطدام.

تظهر بيانات الغبار الكروي والركام والاصطدامات بين مجاميع الغبار الأسطوانية اتجاها لانخفاض معامل الاسترداد مع زيادة سرعة التأثير بمجرد إتقانها. يمكن إجراء هذه التقنية في ساعة واحدة إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. يمكن أن يكون العمل مع جسيمات بحجم ميكرومتر خطيرا للغاية ، لذلك يجب دائما اتخاذ الإجراءات الاحترازية مثل الأقنعة الواقية والقفازات وأغطية الشفط مثل هذه أثناء الإجراء.