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陀螺脉冲辐射下钽和钼表面沉积的风化层粒子的非高斯分布
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引言 由于月球没有致密的大气层和永久的磁场，它容易受到宇宙射线、电磁辐射以及流星体的持续轰击。这些侵袭因素共同塑造了一个独特的外胚层环境，该环境由等离子体与悬浮尘埃粒子组成 —— 即一个等离子体 - 尘埃系统。悬浮尘埃主要来源于月表风化层中的颗粒，这些颗粒能够上升至超过 100 公里的高度。相关研究表明，微流星体（尺寸范围从亚微米级到微米级）是导致尘土飞扬的关键因素之一；同时，伴随流星体撞击过程中发生的化学反应，在形成月球特有的等离子体环境中也扮演着重要角色。 正如多次探月任务所观察到的那样，这种高度研磨性和强附着性的环境给航天器带来了显著挑战。鉴于目前直接在月球表面开展相关实验仍存在较大难度且成本高昂，因此在实验室内模拟并研究风化层与不同材料间的相互作用变得尤为重要。 本项研究旨在通过分析沉积于钽 (Ta) 及钼 (Mo) 表面的实验室合成风化层样本来探讨其粒径分布特性。选择这两种金属作为测试对象，主要是因为它们在高温条件下展现出优异性能，在航空航天领域有着广泛应用前景。我们构建了一个模拟框架，以重现月球上因微流星体撞击而产生的特定条件，并采用了一种化学成分及粒度分布均接近真实月球风化层的人造样品进行实验。 值得注意的是，本项目创新性地采用了微波技术来再现月球环境下的特定状况，为地球实验室条件下开展此类复杂模拟提供了新途径。 方法 等离子体尘埃云的产生 模拟材料测试在等离子体物理系进行。实验中，使用陀螺脉冲（400 kW，持续时间 10 ms）照射月球风化层模拟物，该模拟物在化学成分和颗粒大小分布上与真实的月球风化层相似（以下简称 “风化层” 或 “模拟物”），其由多种金属氧化物混合而成。 当微波能量达到介电击穿的能量阈值时，会被粉末混合物内部及其上方的等离子体相有效吸收。同时，表面粒子因与等离子体接触而带电，导致粒子间产生强烈的库仑排斥力，进而引发爆炸过程，使得反应器内产生悬浮于粉末混合物之上的风化层颗粒。 等离子体的高温可达 7000 K，足以在粉末表面触发放热链式反应，包括氧化物的分解和新微纳米材料的合成（这些新生成的材料是风化层的衍生物），而悬浮的尘埃颗粒则成为这些新材料的结晶中心。随着链式反应的终止，悬浮的尘埃颗粒会沉积到反应器的所有表面上，包括放置在风化层模拟物上方 3-4 cm 处的金属板（钽和钼）。实验过程中，两个光谱仪分别记录来自等离子体（光谱仪 I）和风化层（光谱仪 II）的光谱，一个摄像机记录反应器中化学和物理过程的演变。 粒径分布 使用 JEOL JSM-6390LA 扫描电子显微镜对沉积在金属板上的风化层颗粒进行研究，随后将获得的显微照片导入 ImageJ 软件进行处理，并在 MATLAB 中进行数据可视化。 为识别显微照片中的风化层粒子，我们采用了阈值分割技术。尽管该方法相对简单，但其应用需要高对比度的图片以及正确的曝光时间设置，这在使用电子显微镜时往往难以实现。因此，我们先对图像进行初步处理，在 ImageJ 中调整其直方图，还使用傅里叶变换、各向异性扩散和形态学滤波器（如流域算法）等工具进一步改善图像质量。 经过上述预处理步骤后，我们将沉积的风化层球状颗粒（这些颗粒在高温下会熔化形成球形）近似为椭圆并计算它们的面积。最终，所有相关数据被导出至 MATLAB 表格中，在 MATLAB 环境下计算线性粒径，并绘制归一化的尺寸分布直方图。 结果 沉积在钽和钼表面的颗粒呈现出两种主要形态 —— 不同大小的球状体及非定形粒子，其中非定形粒子主要出现在钼表面上。值得注意的是，这些颗粒并未形成致密层，也未完全覆盖金属表面，且沉积物的化学成分与月球风化层相似，具体细节将在后续研究中详细阐述。 钽和钼上颗粒尺寸分布的直方图显示，对于钽而言，2-4 微米范围内的颗粒占据主导地位，尽管也存在少量较大的颗粒，但其最大线性尺寸不超过 40-42 微米；而在钼样本中，1-4 微米的小颗粒比例更高，并且没有发现任何大于 26 微米的颗粒。 这两种尺寸分布均呈现出明显的非高斯特征，具有重幂律尾部和平顶形态，表明即使是较大颗粒对整体分布也有显著影响。事实上，这种非高斯特性也是真实月球风化层样品的典型特征之一。根据文献研究结果，导致这种非高斯分布现象的原因可能包括风化层颗粒经历的分裂过程以及高温环境下的烘烤效应。 结论 通过对在陀螺脉冲辐射下沉积于钽和钼表面的实验室风化层粒子进行详细分析，我们观察到其粒径分布呈现出重幂律尾部和平顶特征的非高斯分布，这一发现与月球风化层的粒径分布特性高度一致。作为月球风化层的四个基本性质之一，粒径分布在设计地球实验室条件下的模拟实验时至关重要。本研究中，通过微波方法产生的等离子体尘埃云成功再现了实际月球样品的大小分布，验证了该技术在模拟月球环境方面的可行性及其在月球任务材料测试中的实用性。 然而，进一步的研究仍必不可少。在未来的工作中，我们将深入研究月球风化层的其他基本特性，包括粒子组成、形状分布和体积密度；此外，还将探讨该方法的局限性，以期不断完善这一模拟技术，为未来的月球探测任务提供更为可靠的科学依据。 |
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