《Powder Technology》：Method for electrostatic dust deposition in vacuum experimentation for Lunar dust mitigation testing
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•一种在无运动部件的真空环境中将模拟物沉积到目标表面的方法。•颗粒电荷极性分离。•颗粒在表面上的多样化分散。引言在阿波罗任务期间，月球尘埃造成了若干问题，严重影响了宇航员的健康及其设备，贯穿其相对短暂的数日停留期间[1]。随着人类计划重返月球表面并永久驻留，月球尘埃仍然是一个
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一种在无运动部件的真空环境中将模拟物沉积到目标表面的方法。
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颗粒电荷极性分离。
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颗粒在表面上的多样化分散。
引言
在阿波罗任务期间，月球尘埃造成了若干问题，严重影响了宇航员的健康及其设备，贯穿其相对短暂的数日停留期间[1]。随着人类计划重返月球表面并永久驻留，月球尘埃仍然是一个亟待解决的问题。月壤含有细小且具磨蚀性的颗粒，在以往的月球探索中导致了一系列问题，如仪器故障、直接健康风险、机械卡滞以及对表面的磨损[1]。由于太阳辐射及其非导电特性，月球尘埃可以积累静电荷，从而使其能够在月球表面上悬浮[2]。迄今为止，研究人员已开发了多种技术来缓解月球尘埃问题，包括机械刷除方法[3]、[4]以及基于静电的方法[5]、[6]。
这些技术需要高保真度的测试环境来验证其效率、运行极限和功能，方可部署至月球表面。测试通常在大气条件下进行概念验证技术，而技术就绪度（TRL）较高的技术则在热真空舱中进行测试。为测试针对月球尘埃的特定解决方案或技术，采用了多种尘埃沉积技术方法。
一种流行的方法是采用基于机械沉积的方法，将模拟物通过机械方式放置、投放或抛掷到目标表面上。这些机械系统从多部件摩擦起电机械沉积方法到基于重力的沉积方案不等[7]、[8]。为实现高精度沉积，美国国家航空航天局（NASA）开发了一套系统，能够将分散的颗粒以毫克级精度机械地沉积到表面上[9]。该系统使用一系列筛网和振荡器，将尘埃精确沉积到装置下方的目标表面上。Afshar-Mohajer等人开发了一种新型的摩擦起电方法。他们在一个旋转圆柱中对月球模拟物进行摩擦起电，然后通过倾斜机构机械沉积到正在测试的技术装置上。在此案例中，该方法用于在真空环境中测试被称为"静电月球尘埃收集器（ELDR）"的静电缓解技术的有效性[8]。一种类似的方法被用于最早确定真空条件下月壤粘附因子之一的实验中[10]，随后在一篇研究行星尘埃粘附的论文中也有应用[11]。另一种方法是在测试前将尘埃涂抹到表面上，如Gaier等人在测试刷子清洁热表面的效果时所采用的方法[3]。
在真空环境中分散尘埃的其他方法还包括离心力沉积方法。这些基于旋转的方法已被用于真空系统中，以测试月壤的粘附性及其表面涂层的粘附特性[12]。NASA开发的更为先进和复杂的方法利用等离子体将尘埃溅射到表面上[13]。
这些方法的建造成本可能很高，技术难度较大，或需要专门设计的舱室才能运行。此外，机械式尘埃沉积技术使用摩擦起电的双极性颗粒对表面进行负载，这可能导致测试局限性，且通常依靠重力供给。这通常将应用限制为测试位于设备下方的水平组件。
当前尘埃沉积技术的一大主要局限是无法指定尘埃模拟物的极性。鉴于我们对月球表面电荷环境的了解，缺乏电荷极性化限制了针对月球白天、夜间或永久阴影区域（PSR）的研究。这一点至关重要，因为这些区域出现的尘埃云携带特定极性的电荷，会在更广阔的区域内沉降，而非通过重力沉积到表面上。目前尚无低成本或简便的单极性颗粒沉积方法。重力辅助方法无法提供单极性颗粒。
为解决此问题，静电弹射器（EC）被开发出来，以实现对水平面和垂直面更分散且可控的尘埃沉积方式。这使其非常适合测试尘埃偏转、缓解涂层性能或组件/系统级尘埃负载。此外，在使用该方法时，模拟物中的混合电荷颗粒会被过滤，该技术主要将单一极性的电荷发射到目标表面上[14]、[15]、[16]。这使得能够模拟复杂的电荷场景进行尘埃沉积，适用于月球昼面或夜面/阴影区域作业，其中颗粒在大多数情况下为单一电荷[17]、[18]。
本文概述了静电弹射器（EC）的基本功能、理论、设计和测试，该技术能够在无运动部件或复杂设计要求的条件下，将模拟物中的单极性带电颗粒沉积到目标区域。我们的目标是为其他研究人员提供一个可适配的蓝图，使其能够根据自身实验需求进行调整和定制，在单颗粒电荷沉积方面，无论是受控轨迹还是抛物轨迹，都可能在真空环境中发挥有益作用。
章节摘要
工作原理
静电弹射器通过在两个表面之间产生强静电场来工作，使模拟物中的颗粒移动或"弹射"。移动方向可以控制并指向目标区域或表面。这些颗粒的方向、速度和动能由颗粒周围电场的强度、方向和极性控制。
粉末和其他颗粒材料中固有的天然电荷使它们能够
设计与大气测试
静电弹射器（EC）利用两个物体之间产生的电势差——在本例中为背板和发射线——将颗粒加速至目标表面或方向。由于粉末天然含有两种电荷极性[14]、[15]、[16]，正电荷和负电荷颗粒将被分离，因为颗粒的极性会被吸引到与其极性相反的发射线电荷。使用该方法发射颗粒的速度和体积可以
讨论
利用静电弹射器，已成功在大气和真空条件下展示了将模拟物颗粒沉积到目标区域的方法。该方法为当前将模拟物和样品沉积到表面以进行太空尘埃模拟的机械方法提供了一种替代方案。该方法的主要优势包括：
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一种新的方法，可实现颗粒非重力供给式表面沉积
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多电荷模拟物颗粒的过滤。
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无运动
结论
静电弹射器展示了将模拟物通过静电力推进到表面的能力，可适用于大气和真空环境。该简单设计无需运动部件，能够将单极性电荷颗粒沉积到目标表面上，其中发射颗粒的极性取决于发射线的极性。该技术提高了月球环境颗粒测试的可及性，特别是针对计划在昼面
CRediT作者贡献声明
Philipp Zanon：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿，可视化，验证，指导监督，软件，项目管理，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念构思。Michelle Dunn：论文撰写——审阅与编辑，验证，指导监督，资源提供。Geoffrey Brooks：论文撰写——审阅与编辑，指导监督。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。
致谢
感谢ANFF-VIC（澳大利亚国家制造设施节点）对本工作中所使用的反应真空舱的持续使用支持。
Philipp Zanon|Michelle Dunn|Geoffrey Brooks
