論文紹介セミナー 21st, Sep., 2010
Meteoritics and Planetary Science Vol. 44, 1243-1264

Penetration tracks in aerogel produced by Al2O3 spheres

Friedrich Hörz, Mark J. Cintala, Thomas H. See, and Keiko Nakamura-Messenger
紹介者： 新居見励 (阪大・M2)

INTRODUCTION -silica aerogel as capture media-

ODC experiment :スペースデブリや宇宙塵などを捕獲@~15km/s(20mg/cm3 aerogel)silica aerogel

6.1 km/s

Stardust :Wild2彗星塵を捕獲(5-50mg/cm3 aerogel)

透明なので、捕獲粒子を見つけやすい

INTRODUCTION
Stardustでは様々な粒子が捕獲された

non-porous

バラエティに富んだ衝突トラック形状

porousHörz et al. (2006)

大きな粒子はほぼ無傷である一方、小さな粒子は溶けてしまっている。
粒子によってP-T(Pressure - Temperature)条件も様々•粒子がエアロジェルに捕獲される メカニズム（力学、熱力学）の理解•捕獲過程における鉱物の変化 （→元の鉱物組成などの推定）

IMPACT EXPERIMENTS
Projectile size (mm)Impact velocity (km/s)

Target *35

6.18

3Purpose

20 mg/cm aerogel duplicate Stardust, size dependence

60

6.0420 mg/cm3 aerogel duplicate Stardust, size dependence

105

6.1020 mg/cm3 aerogel duplicate Stardust, size dependence

60

5.2120 mg/cm3 aerogel

velocity dependence

60

3.6420 mg/cm3 aerogel

velocity dependence60

3.1120 mg/cm3 aerogel

velocity dependence

多結晶質な表面
Gun：2段式軽ガス銃(5-mm two stage light gas gun)
Projectile：コランダム
これまでに多くの実験が行われてきたガラスより、熱力学的特性がはっきりわかっており、貫入中のアブレーションや質量損失が少ない上に、衝突の衝撃によって破砕しない。

Target：20mg/cm3エアロジェル (ODC用)
密度勾配のついたStardustエアロジェルは複雑なので、密度が均一なものを用いた。
Projectile：Al2O3（コランダム）球35mm, 60mm, 105mm

TRACK MORPHOLOGY
Overview
throatstylusmain cavity
stylusthroatcavitystylus

60 mm @ 6.04 km/s

stylus

60 mm @ 3.10 km/s

TRACK MORPHOLOGY

entrance holethroatcavitystylus

Entrance Hole

DE = 1.2 Dp (V = 3.1 km/s)
DE = 2.0 Dp (V = 3.6 km/s)
DE = 4-6 Dp (V > 5.2 km/s)

V < 3.6 km/s

V > 5-6 km/s
SLGを用いた実験でも同様の結果
Burchell et al. (2001)•衝突速度が速くなるにつれて丸い入口の周りにクラックが入る。(cavityの形成時にできたもの)•入口径は、衝突速度が速い(>5km/s)場合は、同じ条件でも2倍程度違うことがある。(F,G)→ 入口径と突入粒子径を関係付けるときには注意が必要である。

TRACK MORPHOLOGY
throatThroat and Main Cavity
山と谷があり、うねっている

cavitystylus

微粒子でできた道溶融したエアロジェ
ルと、エアロジェルの小さな塊の混合物

透明な面と不透明な道がある

透明な面

微粒子でできた道

60 mm @ 6.04 km/s

カミソリの刃で切り開いて見たトラックの内面
60 mm @ 6.04 km/s

cavityの形成時には、エアロジェルの溶融が起こる。

cavityの表面のspiral構造について
3.1,3.6km/sのトラックには存在しない → 速度依存
ODC(~15km/s)やStardust(6.1km/s)のトラックには頻繁にあるわけではない → 密度依存

エアロジェルを溶かすための十分な圧力が発生すると、このようなスパイラル構造を作ることができる(かも)。
(Stardustでは密度の低いものが貫入したためにメルトがあまりできず、ODCでは速度が速すぎてメルトができすぎたために、スパイラル構造が多くできなかった。)

スパイラル構造の存在は、projectile密度や衝突速度を制約する指標になるかも。

TRACK MORPHOLOGY
throatStyluscavitystylus←cone:~45°←spike:~45°

60 mm @ 5.2 km/s

stylusには、”spike”がついている。

spikeは、エアロジェルが溶けなくなって、固体状態で破壊され始めてから形成され、終端まで続いている。
→非常に幅広い条件でspikeは形成される。
spikeのサイズは、トラック終端に行くにつれて小さくなり、stylusの径に比例しているようにも思える。
プロジェクタイルの減速プロファイルと関係があるかも？
→詳しい解析は今後。

60 mm @ 3.1 km/s
トラックの入口付近
cavityが無く、>5km/sでできるトラックのstylus部分とそっくり。入口から終端付
近までspikeが付いている。ただ、入口にはcone型の裂け目がある。

terminus

TRACK MORPHOLOGY
Terminus

おそらくcompressed aerogel←spikethroatcavitystylus←stylusに多く存在する黒い点は、おそらくcompressed aerogel

←cone
small
large

small
large

large

終端に行くほど、spikeが徐々になくなり、coneが増える。
また、トラックが透明になっていく。
cone:
サイズは様々、小さいconeと,大きいconeが交互にかつ、周期的にできているようである。

突入速度、粒子径

トラック終端付近の形状

トラック終端がゆるやかに曲がったり、突入粒子が軸からずれた場所にあることがよくある。

TRACK MORPHOLOGY←突入前のコランダム球(60 mm)

Projectile Residues -SEM,EDS-

melt flowsmooth surface(多結晶質な表面は失われている)
ridge
Al & Siblunt face (flat)ridge(Si) stringer(Si)compressed aerogel

melt patches
and droplets (Si & Al)

Si & Al (rare)

60 mm @ 3.1 km/s
ほぼ完全に元の状態を保っている。
60 mm @ 6.04 km/s

60/3.660/3.660/5.260/5.235/6.235/6.2

105/6.1

105/6.1•3.1km/sに比べ3.6km/sのresidueの方が多くのエアロジェルをまとっている。
•5.2km/sと6.1km/sのresidueは殆ど同じ。
•6.2km/sの35ミクロンと60ミクロンはあまり変わらない。
•105ミクロンは35,60に比べてmass lossが激しい。

TRACK MORPHOLOGY←突入前のコランダム球(60 mm)

Projectile Residues -SEM,EDS-

60/3.1

melt tip : Siに加えてAlも多くあることから、溶けたエアロジェルと、コランダムの混合物である。
→温度が2054℃（コランダムの融点）を超えていた

60/6.060/5.260/3.6

3.1,3.6km/sのresidueは多結晶質な表面を保持しており、表面にはAlはない。
track shape>5.2km/sのresidueは多結晶質な表面を保持しておらず、表面がなめらかになっている。
track shapestylus

このAlを含んだ溶融物は、cavityで形成された。

↓溶融しないthroat cavity

stylus

エアロジェルもコランダムも溶融しない
エアロジェル・コランダムの溶融

5~6 km/s

コランダム・エアロジェルが溶けて、プロジェクタイル後半面に溶融物を蓄積

melt tipridgestylusでは、ridgeが常にエアロジェルに接していて、cavityで形成された溶融物(melt tipなど)がはぎとられるのを防いでいた。

TRACK MORPHOLOGY -summarycavity>~4km/sでないとできない。
エアロジェル溶融
コランダム溶融(>2000K@5.2km/s)

なめらかな面と、aerogel meltsがスパイラル状につながったものがある

stylus
溶融は起こらず、エアロジェルは固体の状態で掘削されてゆく。

spikeが多く、圧縮されたエアロジェルの塊が多くあって不透明。

spikeよりconeが多くなり、次第にトラックは透明になる。

spike
コランダムが変形し、エアロジェルとコランダムの溶融物ができる

conethroat

TRACK DIMENSIONS

cavitystylus

速度依存を表す現象(溶融とか)は、トラック長の10-20%しか占めないcavityで起こる。

Track length
アルミナ↓20mg/cc

トラック長は速度にそれほど大きく依存しない
SLG↓Stardust flight spare (~10mg/cc)↑SLG 20mg/cc↑SLG
60mg/ccprojectile密度、強度の違い

aerogel密度の違い

SLG,Al2O3でできたトラックの長のサイズ依存@6km/s

projectile密度、強度の違い(アルミナの方が重くて強い)aerogel密度の違い

SLG,Al2O3でできたトラックの長の速度依存throatcavitystylusTrack volume

TRACK DIMENSIONS
Cavity diameter, DTmax

fixed Dpとfixed Viの傾きが明らかに違う。
(速度が遅いと、cavityができずに体積が小さくなる→3.1km/s)

速度依存

aerogel密度が低くなると傾きが急になる。

サイズ依存

Stardust aerogel, SLG:
DTmax = 10.9 – 12.7 Dp
20 mg/cm3, Alumina:
DTmax = 11.28 – 17.37 Dp

Residue size@6km/s

アルミナの方が少し太いトラックを作る

細長い

速度依存が明らか。
速いほどcavityが膨らんで太短くなる。

太短い

SLGの方が太短いトラックをつくるエアロジェルが付着して元のサイズより大きくなっている。

melt

DISCUSSION
Thermal environment during aerogel impacts

total melting
pristine•Stardust samples
大きな粒子は表面だけが溶けて、小さな粒子は全体が溶ける。

溶けたaerogelと溶けたprojectileの混合。

•Noguchi et al. (2007) : Murchison meteorite → 30 mg/cm3 aerogel

1000 ℃ < Projectile 表面温度 < 1390 ℃ , 衝突閃光~2000℃(aerogelの温度?)•Ishii et al. (2008) : FeS → Stardust (5-50 mg/cm3) aerogel
Projectile 表面温度 > 1000 ℃•This work : corundum → ODC (20 mg/cm3) aerogel
Projectile 表面温度> 2054 ℃※衝撃圧力@6km/s < 5 GPa << 40 GPa (鉱物の溶ける圧力)

衝撃圧力ではprojectileは溶けない

8000 K@6km/s (Anderson and Cherne, 2008)
shocked (superheated) aerogel

aerogelprojectile
過熱状態のaerogelに曝され、接触面付近のみで溶融する。（小さなものは全部溶融）CONCLUSIONS
corundum(35,60,105mm)を用いて20mg/cm3aerogelへの衝突実験(3-6km/s)を行い、衝突トラックと捕獲粒子を詳細に観察、分析した。
-Track morphologycavity
速度の速い(>4km/s)時のみ形成。
corundumが溶けて(>2054℃)、溶けたaerogelとの混合物を形成。

Cavity dia., DTmaxstylus
固体状態でaerogelが破壊される。
cavityに近いところはトラックが不透明で、とげとげしたspikeがある。
トラック終端に進むにつれ、それがconeに変わっていくとともにトラックが透明になる。

spike

cone

Track length , Lt
projectile,aerogelが溶融

Entrancehole dia., DeDe, DTmax, Lt•これらのパラメータはプロジェクタイル径と明らかに関係している。
•トラック体積は衝突エネルギーと関係-Thermal environmentAnderson and Cherne (2008)によると、6km/sの衝突でaerogelは8000Kまで加熱される。
超高温のaerogelと接触したprojectileは主に接触面付近で溶融し、溶けたaerogelとの混合物を作る。