Laboratory investigation of dust charging and impact ionization

Abstract

Prach je nedílnou součástí kosmického plazmatu (např. magnetosfér planet a komet, heliosféry, mezihvězdného prostoru, obálek supernov). Může však být také často pozorován v průmyslových aplikacích jako nezbytná součást pro úpravu materiálů, nebo jako nežádoucí příměs v produkci mikroelektronických komponent, nebo ve fúzních zařízeních. Zatímco prachová zrna jsou jedním z nejdůležitějších předmětů zájmu v naší sluneční soustavě (např. Země, systémy Jupiteru a Saturnu) a v mezihvězdném prostoru, exisuje řada misí (např. ROSETTA, Cassini), které poskytly vyšetřování vlastností a dynamiky nabitých prachových zrn. V těchto prostředích, mezi procesy relevantní nabíjení patří procesy interakce s elektrony a ionty slunečního větru a fotoemisní nabíjení UV zářením ze Slunce, které je často dominantní. Avšak, vyšetřování těchto procesů v daném prostředí je komplikované, protože několik procesů působí současně. Tato práce je zaměřena na studium nabíjecích procesů v laboratoři, kde je možné tyto procesy vyšetřovat odděleně. V první sérii experimentů zaměřených na měsíční nebo planetární podmínky, bylo jedno (nabité) prachové zrno chyceno v elektrodynamické pasti a vystaveno elektronovému a iontovému svazku s proměnnou energií a fotonů z UV zdroje. Dále, popisujeme metodu, kterou jsme využili pro určení výstupní práce...

Dust is an almost ubiquitous component of the cosmic plasma (e.g., planetary and cometary magnetospheres, the heliosphere, the interstellar medium, supernova shells). However, it can be also frequently encountered in industrial applications as a principal agent in material treatments, or as an undesirable ingredient in a production of microelectronic components, or in fusion devices. Since dust particles are one of the main elements of interest in the solar system (e.g., Earth, Jovian and Saturnian systems) and in the interstellar medium, there is a number of missions (e.g., ROSETTA, Cassini) that provided investigations of the properties and global dynamics of charged dust grains. In these environments, the relevant charging processes are interactions with electrons and ions of the solar wind and photoemission by solar UV radiation that often dominates. However, in-site investigations of such processes are difficult because several processes act in accord. The present thesis studies charging processes in laboratory settings where these processes can be investigated separately. In the first series of experiments focused on applications in the lunar or planetary surroundings, a single (charged) dust grain is stored in an electrodynamic trap and expose to electron and/or ion beams with variable energies and...