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Investigation of hyper-velocity impacts of micron- and submicron- sized particles on mineral targets by confocal laser microscopy

Guglielmino, Massimo Leonardo

German Title: Untersuchung von Ultrahochgeschwindigkeitseinschlägen von mikro- und submikrometergroßen Partikeln auf mineralischen Oberflächen mittels konfokaler Lasermikroskopie

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Abstract

To understand the surface evolution of atmosphereless moons and asteroids, a modified van de Graaff accelerator was used to conduct hyper-velocity impacts on mineral surfaces. This study is primary focusing on impact data of an olivine target, which was bombarded with Cu projectiles (Projectile diameter DP = 0.01–3.18 μm; v = 0.45–13 km/s within 3σ). In addition, also samples of the carbonaceous chondrite Allende CV3, a basaltic achondrite (NWA 6966), antigorite and pyroxenes were bombarded. Instead of conventional scanning electron microscopy (SEM) a confocal laser scanning microscope (LSM) was used for the first time. The LSM investigations are nondestructive and can be conducted without any coating. The imaging techniques of the LSM allow visualizing topographies and generating 3D-illustrations of impact structures. It could be demonstrated that besides cratering a significant proportion of projectiles remain stuck in the surface or produced flat indentations. Craters in olivine and diopside showed wide radial fractures and spallation effects. Only at high impact energies the formation of crater lips occurs, while spallation effects decrease. The results of the olivine target differ from other materials like soda lime glass (SLG) or fused quartz (FQ), or metal. The LSM is able to verify pronounced cavities on olivine surfaces, with a diameter to depth ratio (D/d) of -0.40 ± 24 %. It was possible to measure both deep and also very shallow impact structures with a few 10 nm resolution. On semi-transparent surfaces it is possible to see shock effects in the mineral targets, as an effect of light diffraction. Even though the LSM is able to measure surface structures at the sub-micron scale, the limit of safe identification of crater-structures is at diameters of D ~1 µm.

Translation of abstract (German)

Um die Oberflächenentwicklung von atmosphärelosen Monden und Asteroiden besser zu verstehen, wurden mit einem modifizierten Van de Graaff Beschleuniger Ultrahochge-schwindigkeitseinschläge auf mineralische Oberflächen durchgeführt. Diese Arbeit be-schäftigt sich primär mit den Einschlagsdaten eines Olivintargets, das mit Cu-Partikeln be-schossen wurden (Projektildurchmesser DP = 0,01–3,18 μm; v = 0,45–13 km/s innerhalb 3σ). Darüber hinaus wurden auch Proben des kohligen Chondriten Allende CV3, einem basaltischen Achondrit (NWA 6966), Antigorit und Pyroxenen beschossen. Anstatt der konventionellen Rasterelektronenmikroskopie (REM) wurde erstmalig die konfokale Lasermikroskopie angewandt. Die Auswertung ist zerstörungsfrei und verzichtet dabei auch auf Beschichtungen. Das bildgebende Verfahren eines Lasermikroskops ermöglicht höher aufgelöste Visualisierungen der Topographie und 3D-Darstellungen der Einschlagstrukturen. Es konnte gezeigt werden, dass außer Kratern auch ein signifikanter Anteil an Projektilen in der Oberfläche stecken blieb oder sehr flache Vertiefungen hinterlassen hat. Krater im Olivin und auch Diopsid zeigen ausgedehnte radiale Frakturen und Spallationseffekte. Erst ab sehr hohen Einschlagsenergien kommt es zur Bildung von Kraterlippen, während gleichzeitig die Spallation abnimmt. Resultate am Olivintarget unterscheiden sich von anderen Materialien wie Kalknatron- oder Quarzgläsern oder metallischen Oberflächen. Mit dem Lasermikroskop konnten auf Olivinoberflächen auch ausgeprägte Vertiefungen mit einem Durchmesser-zu-Tiefe-Verhältnis (D/d) von bis zu 0,40 ± 24 % nachgewiesen werden. Es konnten sowohl tiefe als auch sehr flache Einschlagsstrukturen im Bereich weniger zehn Nanometer vermessen werden. Bei semi-transparenten Materialoberflächen ist es möglich, Schockeffekte in Mineralen aufgrund der Lichtbeugung zu erkennen. Auch wenn mit dem Lasermikroskop Strukturen im Submikrometer-Bereich erfasst werden können, liegt die Grenze der erkennbaren lateralen Kraterstrukturen bei Durchmessern von D ~ 1 µm.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Trieloff, Prof. Dr. rer. nat. Mario
Place of Publication: Heidelberg, Deutschland
Date of thesis defense: 17 July 2017
Date Deposited: 09 Nov 2017 09:29
Date: 2017
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Laserscanning-Mikroskop, Impakt, Mikrometeorit, Potenzialbeschleuniger
Uncontrolled Keywords: Space weathering
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