.
.
. . .
„Prach jsi a v prach se obrátíš!“ (Gen 3:19)

Laboratoř nabíjení prachu

O prachu

Prach neoznačuje nějakou konkrétní hmotu, ale spíše její velikost. O tom, jestli něco je prach nebo není, tedy nerozhoduje to z čeho je, ale jak je „to“ veliké. Správný prach má být o velikostech řádově desítek nanometrů až desítek mikrometrů, v některých případech i větší. Když se řekne prach, tak si většina lidí představí šedavou látku, která jim pokrývá nábytek a tvoří chuchvalce v temných zákoutích, to však není ten prach, který nás zajímá. Domácí prach je tvořen převážně odlupujícími se kožními buňkami obyvatelů, odrolenými částmi oděvů a jiných věcí, je příliš složitý. Další prach je to, co poletuje v suchých letních (i jiných) dnech venku. Ten je zase tvořen převážně nejmenšími částečkami hornin (jíly, spraše, drobný písek, ...). Uvolňuje se také v kamenolomech, uhelných dolech a obecně při důlní a stavební činnosti. Prachové částice potkáváme i v cigaretovém dýmu a obecně při hoření, vlastně jen díky prachu můžeme vidět plameny ohně. Kvůli němu se do komínů elektráren a kotelen (na tuhá paliva) musí v dnešní době umisťovat odlučovače popílku (neboť popílek je také jen prach). Prach může být i velmi nebezpečný, při vdechnutí způsobuje kašel a dráždí dýchací cesty, inhaluje-li se prach dlouhodobě (např. horníci v dolech, pracovníci na stavbách) dochází k zanesení plic a vzniká pneumokonióza (z latinského pneumon – plíce a řeckého konis – prach). V uhelných dolech někteří horníci trpí uhlokopskou pneumokoniózou – z uhelného prachu, v kamenolomech silikózou (kameny obsahují velké množství křemíku). Silikóza je závažnější než uhlokopská pneumokonióza, protože křemík není tělu tolik vlastní jako uhlík, a v plicích se nerozkládá, způsobuje záněty, postupně vyhnisává a tvoří se více vaziva na úkor plicní tkáně. Z azbestového prachu vzniká azbestóza a podobně další „-ózy“ dle druhu materiálu. Velmi nebezpečné jsou také cisterny s cementem (cement je také prach). V případě, že jsou plné a spadne do nich člověk, má smrt téměř jistou (pokud nejsou kolem spolupracovníci, kteří okamžitě začnou záchrannou akci). Na rozdíl od kapaliny prach nenadnáší (nedá se v něm plavat) a člověk se propadá nenávratně na dno, ze kterého se již nemůže dostat, prach se nedá dýchat a postupně dojde k udušení. Není potom divu, že někteří lidé trpí amatofóbií – chorobným strachem z prachu.

Nejvíce prachu ale můžeme nalézt v kosmickém prostoru (protože vesmír je velmi velký a obsahuje mnoho zdrojů prachu). Nalezneme ho v mezigalaktickém prostoru, mezihvězdném prostoru uvnitř galaxií (ve formě prachových mlhovin a mračen, ale i samostatně poletujících zrn) i v meziplanetárním prostoru uvnitř sluneční soustavy. Uvolňuje se z komet při jejich přiblížení ke Slunci, ale i z hvězd společně s hvězdným větrem i v obrovských explozích supernov. O vzdáleném prachu se dozvídáme pomocí spekter záření, která k nám přicházejí, a to jednak prostřednictvím absorpčních čar, ale také prostřednictvím vlastní emise infračerveného záření z prachových zrn. V tomto ohledu byla naprosto jedinečná mise sondy ISO (Infrared Space Obsrevatory). Celá oblaka prachu v prachových mlhovinách zakrývají světlo ostatních hvězd za nimi. Obklopují i určité typy starých hvězd (AGB – asymptotic giant branch) a pohlcují část jejich světla, na oplátku vyzařují vlastní podle své teploty. Na množství prachu v určitém směru můžeme usuzovat z křivky pohlcování záření. Rozeznáváme dva typy hvězd, hvězdy bohaté na uhlík a hvězdy bohaté na kyslík. Typ hvězd tak určuje i složení prachu, který se v okolí takové hvězdy vyskytuje. Ze spekter můžeme určit složení prachu (integrované přes velké oblasti) tak, že změříme spektrum záření přicházejícího k nám z hlubin kosmu a porovnáme jej se spektrem pozemské látky změřeným v laboratoři.

Pokud se týká složení prachu, tak v kosmickém prostoru pozorujeme v zásadě dva typy prachových zrn. První jsou na kyslík bohatá zrna tvořená silikáty (pyroxeny MgxFe1-xSiO3 a olivíny Mg2xFe2-2xSiO4), druhým jsou uhlíkaté částice (CHON – podle prvků uhlík, vodík, kyslík, dusík). V okolí na kyslík bohatých hvězd se nachází převážně silikátový prach, protože většina uhlíku je zde vázána ve formě CO (protože má poměrně pevnou vazbu). Uhlík se v prachových zrnech vyskytuje v mnoha formách např. jako grafit, diamant, tvoří nejrůznější sloučeniny. Někdy nalézáme zrna s vrstevnatou strukturou, která jsou tvořena vrstvami silikátovými a vrstvami uhlíkatými, mohou být pokryta i vrstvami ledu. Povrchy zrn jsou také klíčové téměř ve všech astrochemických reakcích, protože se na nich zachycují a koncentrují atomy různých prvků vyskytujících se v kosmickém prostoru a mohou tak vzájemně reagovat. Dochází zde k reakcím od spojování vodíkových atomů ve vodíkové molekuly až po složité biochemické reakce vedoucí ke vzniku bází nukleových kyselin. Tyto reakce probíhají velmi pomalu (díky nízkým teplotám), často za přispění UV záření či dopadem nabitých částic, a je možné je zkoumat v laboratorních podmínkách. Měří se také polarizace záření přicházejícího z vesmíru. Pro světlo z mezihvězdného prostoru jsou to přibližně 3 %, což se vysvětluje elipsoidním tvarem zrnek, které jsou mírně srovnány v galaktickém magnetickém poli. Pozoruje se také difúzní galaktické světlo vzniklé rozptylem světla hvězd na prachových zrnech, je to obdoba Zodiakálního světla pozorovatelného i pouhým okem ze Země.

Meziplanetární prach v jeho přirozených podmínkách byl a stále je zkoumán mnoha kosmickými sondami, například: Pioneer 10 a 11 (Meteoroid detector), Cassini (CDA – Cosmic Dust Analyzer), Ulysses, Rosseta (GIADA – Grain Impact Analyser and Dust Accumulator). Některé ze sond přímo sbíraly vzorky pro jejich návrat na Zemi jako například Stardust (kometární a meziplanetární prach), Hayabusa (asteroidický prach).

Prach se však vyskytuje i v jiných oblastech v přírodě či v laboratorních podmínkách. Zajímavé chování vykazuje například tzv. prachové plazma. Prach umístěný v plazmatu se nabíjí a za určitých podmínek (při vyšších koncentracích menších zrn, kde se uplatňuje Lorentzova síla) může vytvořit, díky kolektivnímu chování, tzv. plazmové krystaly. Jsou to obdoby normálních krystalů, ale s mřížkami zvětšenými na makroskopická měřítka, pozorovatelné rozptylem laserového světla. Místo kladných iontů v krystalové mřížce se nachází nabité prachové zrnko. Můžeme přímo pozorovat krystalickou mřížku, tvar elementárních buněk i poruchy v krystalické mřížce (vmezeřené roviny, chybějící „atomy“, ...). Původní teoretická práce popisující plazmové krystaly byla publikována v roce 1986, o několik let později se je podařilo realizovat v laboratoři. Vlivem gravitace je v pozemských podmínkách velikost krystalu omezena jen na několik krystalických rovin (a počet částic směrem vzhůru klesá), proto se prováděly experimenty původně v rámci parabolických letů (při kterých nastávají v každé parabole na 20–30 s podmínky mikrogravitace), posléze na orbitální stanici MIR a v současné době je jeden z dlouhodobých experimentů na ISS zaměřen právě na studium plazmových krystalů.

V naší laboratoři se zkoumá způsob, jakým se jednotlivá prachová zrna nabíjejí a čím je tento proces ovlivněn. Náboj je určující pro chování prachových zrn:

  • v kosmickém prostoru (jednotlivá zrnka jsou velmi lehká a coulombické síly působící na ně jsou velmi často srovnatelné, nebo dokonce značně větší než síly gravitační);
  • v experimentech s plazmovými krystaly;
  • při výrobě polovodičových součástek (Pro úspěšnou výrobu je potřebná velká čistota prostředí, protože i jedno zrnko může znehodnotit celý čip. Při výrobě nestačí mít jen „čisté“ místnosti s filtrovaným vzduchem, protože jak se ukázalo, prach vzniká přímo při procesu opracovávání povrchu součástek, a následně část z nich ničí.);
  • v odlučovačích popílku;
  • v horkém plazmatu tokamaků (prach v horkém plazmatu září, odvádí tak energii a brání dalšímu ohřevu).

O nabíjení

Procesy nabíjející prachová zrna můžeme rozdělit v zásadě do dvou kategorií: záchyt nabitých částic a emise nabitých částic. Oba druhy procesů běžně potkáváme v přírodě. Například prachové zrno vyskytující se v plazmatu více zachycuje pohyblivější elektrony a nabíjí se tak záporně (do určité mezní hodnoty), prachové zrno osvětlené UV zářením vlivem fotoemise emituje elektrony a nabíjí se tak kladně. Nabíjení záchytem částic se studuje při nabíjení pomocí svazku elektronů a iontů. Zvýšíme-li energii elektronů ve svazku, začne docházet k emisi sekundárních elektronů a zrno se začne nabíjet na opačný potenciál. V přítomnosti elektrického pole začne docházet k autoemisi, při zvýšení teploty k termoemisi a při osvětlení UV zářením k fotoemisi. Všechny tyto procesy byly zkoumány již dříve, ale převážně na relativně velkých planárních vzorcích a ne všechny otázky se dosud podařilo zodpovědět. Navíc se malá prachová zrna od velkých planárních vzorků značně odlišují (např. sekundární emise nemusí být jen v jednom směru, ale může být prakticky z celého povrchu, částice jsou menší, a tak rychleji dosáhnou potenciálu ovlivňujícího okolí, je nutné je brát jako 3D objekty, není možné 2D zjednodušení jako u planárních vzorků).

Prachové zrno se tedy může nabíjet na různé potenciály co do velikosti i co do znaménka. O tom, jak se zrno nabije, rozhoduje několik faktorů. Jednak je to prostředí, ve kterém se zrno nachází (plazma, svazek iontů, elektronů, UV záření, ...), dále samotný materiál, ze kterého je zrno vyrobeno a v neposlední řadě i jeho velikost. Ukazuje se, že vliv má i nabíjecí historie zrna (např. při nabíjení ionty dochází k iontové implantaci a v různých hloubkách pod povrchem vznikají vrstvy s ionty, které mohou být navenek odstíněny výše položenými vrstvami zachycených elektronů, ale v určitých situacích se mohou opět projevit).

Nabité zrno v plazmatu zpětně ovlivňuje i vlastnosti svého okolí. Narušuje kvazineutralitu plazmatu (vychytává z něj převážně elektrony) a vytváří prostorový náboj. O tom, co se bude dít, rozhoduje také počet zrn v plazmatu respektive jejich vzájemná vzdálenost. Ve fyzice plazmatu je jedním z klíčových pojmů Debyeova stínící délka (Dd), je důležitá i v tomto případě. Debyeova stínící délka je vzdálenost, na kterou je nějaký prostorový náboj v plazmatu odstíněn a vzdálenější plazma jím tak není narušeno. V případě, že je vzdálenost mezi zrny menší než Dd, působí jednotlivá zrna na sebe vzájemně prostřednictvím Lorentzovy síly a hovoříme o tzv. prachovém plazmatu. V případě, že je vzdálenost mezi zrny větší než Dd, je jejich náboj odstíněn a zrna na sebe nijak nepůsobí, jedná se o prach v plazmatu.

O aparatuře

Princip naší aparatury spočívá v zachycení jednoho prachového zrna v elektrodynamické pasti a jeho následném nabíjení a vybíjení. Srdcem aparatury je elektrodynamický kvadrupól.

Kvadrupól
Elektrodynamický kvadrupól.
Elektrodynamický kvadrupól byl původně vyvinutý pro hmotností spektrometrii a jako iontová past, od 60. let se také používal jako zdroj nabitých prachových zrn do urychlovačů prachu při laboratorních simulacích dopadů mikrometeoroidů a v roce 1986 byl poprvé použit v aparatuře obdobné naší v Max-Planck Institut für Kernphysik. V současné době je v naší laboratoři jedna aparatura v provozu a druhá, mírně odlišná, se buduje.
Aparatura
Aparatura pro nabíjení prachu (starší).

Zachycené prachové zrno se nabíjí záchytem primárních částic ze svazku elektronů z elektronového děla (EG), iontů z iontového děla (IG) a v nově budované aparatuře se bude nabíjet i fotoemisí ze svazku fotonů z UV zdroje. Proud elektronů a iontů se monitoruje pomocí Faradayových válců (FC), zachycené zrno se osvětluje laserovým svazkem s červeným světlem (dlouhá vlnová délka, aby se omezila nechtěná fotoemise), jeho polohu registrují detektory polohy a frekvence jeho kmitů se zaznamenává v počítači. Prach ze zásobníku prachu dostaneme mechanickým pohybem elektromagnetického klepače. Poskakující prach v zásobníku se může mírně triboelektricky nabíjet a když „doskáče“ k otvoru, propadne do kvadrupólu. V něm na něj již čeká elektronový (nebo iontový) svazek a pokud se zrno stačí nabít, může být v kvadrupólu být zachyceno. Z toho vyplývají dvě věci. Za prvé, ne každé zrnko se v kvadrupólu zachytí a za druhé, v jednom okamžiku může propadávat i více zrnek současně. To má za následek, že někdy je potřeba i více pokusů než se nám povede nějaké zrnko zachytit a jindy se zachytí celý konglomerát zrnek. Podaří-li se nám nějaké zrnko zachytit, můžeme na něm provádět měření i několik týdnů (dokud nevypadne z kvadrupólu ať již řízeně, nebo nějakou fluktuací). Toto celé musí být ve vakuu, aby nedocházelo k ovlivňování měření (brzdění zachyceného zrna plynem, Brownův pohyb, ionizace plynu svazkem částic, pohlcování UV a také proto, abychom napodobili podmínky v kosmu, které simulujeme. Je také potřeba zajistit, aby neúspěšně zachycená zrna neskončila ve vakuové vývěvě.

Schéma aparatury
Schéma aparatury pro nabíjení prachu.

Při měření se na horní a dolní elektrody přivede napětí sloužící ke kompenzaci gravitace a dále pak na všechny elektrody vysokofrekvenční napětí (řádově stovky V) tak, že horní a dolní elektroda jsou ve fázi a boční v protifázi. Tak se vytvoří elektrodynamický potenciál, který částici udrží v určité oblasti a donutí kmitat. Pohyb zrnka potom odpovídá řešení Mathiueovy rovnice, která je řešitelná jen numericky, ale za některých zjednodušujících případů z ní můžeme vyjádřit poměr náboje a hmotnosti (Q/m):

Q/m =
kde  r0 je vnitřní poloměr prostřední elektrody

lu jsou váhové konstanty pro jednotlivé složky intenzity el. pole (lx = ly = 1, lz = –2)

je efektivní hodnota střídavého napětí na každé elektrodě kvadrupólu

fac frekvence tohoto napětí

fu frekvence kmitů částice

k představuje korekční faktor závislý na poměru frekvence kmitů zrna fu, obvykle blízký 1

Pro potlačení kmitů ve vodorovném směru jsou ještě po stranách umístěny tlumící elektrody. Ze záznamu měření určíme frekvenci kmitů zrna (fu), která odpovídá Q/m. Záznam pohybu částice vypadá následovně:

Pohyb zrna
Záznam pohybu prachového zrna (video).

Hmotnost zrna (m) můžeme určit, známe-li jeho rozměry a hustotu. Při měření používáme kulová zrna pro lepší interpretaci výsledků. Jejich poloměr můžeme určit pomocí elektronového mikroskopu (jsou-li monodisperzní), ale protože se ukazuje, že se hmotnost i poloměr zrn v průběhu měření mohou měnit, je potřeba je určovat i jinak. K určení hmotnosti zrna využíváme dvou metod. První je pomocí vybíjecí V-A charakteristiky a druhá je metoda elementárních nábojů.

Využíváme-li vybíjecí V-A charakteristiku, určíme poloměr a hmotnost zrna ze vztahů:

R =
m =
které platí za předpokladu homogenních sférických zrn o hustotě r. Povrchový potenciál zrna F určíme tak, že zrno iontovým bombardováním nabijeme na vysoký potenciál a poté ho ostřelujeme ionty s menší energií. Tyto ionty nemohou dopadat na povrch zrna, ale dopadají na stěny kvadrupólu, kde emitují sekundární elektrony vybíjející zrno. Jakmile jeho potenciál poklesne na hodnotu odpovídající energii ostřelujících iontů, začnou tyto dopadat na povrch a vybíjení se zpomalí. Dojde tak ke zlomu ve voltampérové charakteristice vybíjecího procesu. Z polohy zlomu určíme povrchový potenciál zrna (v bodě zlomu odpovídá energii ostřelujících iontů). Poměr náboje a hmotnosti, Q/m, určíme výše popsaným způsobem z frekvence jeho kmitů.
V-A charakteristika
V-A charakteristika.

Při metodě elementárního náboje měříme změnu frekvence kmitů odpovídající změně náboje částice o velikost elementárního náboje (či několika málo nábojů). Je tedy nutné měřit frekvenci s velkou citlivostí a zajistit, aby primární částice nabíjející zrno na něj dopadaly po jedné. Hmotnost zrna potom získáme ze vztahu

m =
Metoda elementárního náboje
Metoda elementárního náboje.
Přehled výsledků práce naší laboratoře naleznete na stránkách skupiny kosmické fyziky.
<< Předchozí (Laboratoř plazmové chemie)   [Nahoru Další (Rejstřík) >>