A convenient method to accelerate simultaneously hundreds of micron-size dust particles to a few km/s over a distance of about 1m is based on plasma drag. Plasma jets which can deliver sufficient momentum to the dust particles need to have speeds of at least several tens of km/s, densities of the order of 1022m3 or higher, and low temperature 1eV, in order to prevent dust destruction. An experimental demonstration of dust particles acceleration to hypervelocities by plasma produced in a coaxial gun is presented here. The plasma flow speed is deduced from photodiode signals while the plasma density is measured by streaked spectroscopy. As a result of the interaction with the plasma jet, the dust grains are also heated to high temperatures and emit visible light. A hypervelocity dust shower is imaged in situ with a high speed video camera at some distance from the coaxial gun, where light emission from the plasma flow is less intense. The bright traces of the flying microparticles are used to infer their speed and acceleration by employing the time-of-flight technique. A simple model for plasma drag which accounts for ion collection on the grain surface gives predictions for dust accelerations which are in good agreement with the experimental observations.

1.
I.
Furno
,
T. P.
Intrator
,
G.
Lapenta
,
L.
Dorf
,
S.
Abbate
, and
D. D.
Ryutov
,
Phys. Plasmas
14
,
022103
(
2007
).
2.
U.
Shumlak
,
R. P.
Golingo
,
B. A.
Nelson
, and
D. J. D.
Hartog
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
205005
(
2001
).
3.
S. C.
Hsu
and
P. M.
Bellan
,
Phys. Plasmas
12
,
032103
(
2005
).
4.
K. F.
Schoenberg
,
R. A.
Gerwin
,
R. W.
Moses
, Jr.
,
J. T.
Scheuer
, and
H. P.
Wagner
,
Phys. Plasmas
5
,
2090
(
1998
).
5.
6.
V.
Voronin
,
V. K.
Gusev
,
Yu. V.
Petrov
,
N. V.
Sakharov
,
K. B.
Abramova
,
E. M.
Sklyarova
, and
S. Yu.
Tolstyakov
,
Nucl. Fusion
45
,
1039
(
2005
).
7.
Y. C. F.
Thio
,
C. E.
Knapp
,
R. C.
Kirkpatrick
,
R. E.
Siemon
, and
P. J.
Turchi
,
J. Fusion Energy
20
,
1
(
2001
).
8.
Z.
Wang
,
C. M.
Ticos
, and
G. A.
Wurden
,
Phys. Plasmas
14
,
103701
(
2007
).
9.
C. M.
Ticos
,
Z.
Wang
,
G. A.
Wurden
,
J. L.
Kline
,
D. S.
Montgomery
,
L. A.
Dorf
, and
P. K.
Shukla
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
155002
(
2008
).
10.
E. B.
Igenbergs
and
E. L.
Shriver
,
J. Appl. Phys.
44
,
2177
(
1973
).
11.
A.
Hüdepohl
,
M.
Rott
, and
E.
Igenbergs
,
IEEE Trans. Magn.
25
,
232
(
1989
).
12.
Z.
Wang
and
G. A.
Wurden
,
Rev. Sci. Instrum.
74
,
1887
(
2003
).
13.
Z.
Wang
,
C. M.
Ticos
,
L. A.
Dorf
, and
G. A.
Wurden
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
34
,
242
(
2006
).
14.
K.
Avinash
and
G. P.
Zank
,
Phys. Plasmas
14
,
053507
(
2007
).
15.
C. K.
Goertz
,
Rev. Geophys.
27
,
271
, DOI: 10.1029/RG027i002p00271 (
1989
).
16.
A. L.
Graps
,
E.
Grün
,
H.
Svedhem
,
H.
Krüger
,
M.
Horányi
,
A.
Heck
, and
S.
Lammers
,
Nature (London)
405
,
48
(
2000
).
17.
P. K.
Shukla
and
A. A.
Mamun
,
Introduction to Dusty Plasma Physics
(
IOP
,
Bristol
,
2002
).
18.
H. M.
Thomas
and
G. E.
Morfill
,
Nature (London)
379
,
806
(
1996
).
19.
P. K.
Shukla
and
V. P.
Silin
,
Phys. Scr.
45
,
508
(
1992
).
20.
M. S.
Barnes
,
J. H.
Keller
,
J. C.
Forster
,
J. A.
O’Neill
, and
D. Keith
Coultas
,
Phys. Rev. Lett.
68
,
313
(
1992
).
21.
M. D.
Kilgore
,
J. E.
Daugherty
,
R. K.
Porteous
, and
D. B.
Graves
,
J. Appl. Phys.
73
,
7195
(
1993
).
22.
S. A.
Khrapak
,
A. V.
Ivlev
,
G. E.
Morfill
, and
H. M.
Thomas
,
Phys. Rev. E
66
,
046414
(
2002
).
23.
S. A.
Khrapak
,
A. V.
Ivlev
,
S. K.
Zhdanov
, and
G. E.
Morfill
,
Phys. Plasmas
12
,
042308
(
2005
).
24.
A. V.
Ivlev
,
S. A.
Khrapak
,
S. K.
Zhdanov
,
G. E.
Morfill
, and
G.
Joyce
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
205007
(
2004
).
25.
V. N.
Tsytovich
,
U.
de Angelis
,
A. V.
Ivlev
,
G. E.
Morfill
, and
S.
Khrapak
,
Phys. Plasmas
12
,
112311
(
2005
).
26.
I. H.
Hutchinson
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
48
,
185
(
2006
);
I. H.
Hutchinson
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
47
,
71
(
2005
).
27.
C.
Zafiu
,
A.
Melzer
, and
A.
Piel
,
Phys. Plasmas
10
,
1278
(
2003
).
28.
S.
Ratynskaia
,
S.
Khrapak
,
A.
Zobnin
,
M. H.
Thoma
,
M.
Kretschmer
,
A.
Usachev
,
V.
Yaroshenko
,
R. A.
Quinn
,
G. E.
Morfill
,
O.
Petrov
, and
V.
Fortov
,
Phys. Rev. Lett.
93
,
085001
(
2004
).
29.
V.
Yaroshenko
,
S.
Ratynskaia
,
S.
Khrapak
,
M. H.
Thoma
,
M.
Kretschmer
,
H.
Höfner
,
G. E.
Morfill
,
A.
Zobnin
,
A.
Usachev
,
O.
Petrov
, and
V.
Fortov
,
Phys. Plasmas
12
,
093503
(
2005
).
30.
M.
Hirt
,
D.
Block
, and
A.
Piel
,
Phys. Plasmas
11
,
5690
(
2004
).
31.
V.
Nosenko
,
R.
Fisher
,
R.
Merlino
,
S.
Khrapak
,
G.
Morfill
, and
K.
Avinash
,
Phys. Plasmas
14
,
103702
(
2007
).
32.
M.
Kretschmer
,
S. A.
Khrapak
,
S. K.
Zhdanov
,
H. M.
Thomas
,
G. E.
Morfill
,
V. E.
Fortov
,
A. M.
Lipaev
,
V. I.
Molotkov
,
A. I.
Ivanov
, and
M. V.
Turin
,
Phys. Rev. E
71
,
056401
(
2005
).
34.
35.
E. B.
Tomme
,
D. A.
Law
,
B. M.
Annaratone
, and
J. E.
Allen
,
Phys. Rev. Lett.
85
,
2518
(
2000
).
36.
A. A.
Samarian
and
B. W.
James
,
Phys. Lett. A
287
,
125
(
2001
).
37.
C. M.
Ticos
,
A.
Dyson
, and
P. W.
Smith
,
Plasma Sources Sci. Technol.
395
,
402
(
2004
).
38.
E.
Thomas
, Jr.
and
J.
Williams
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
055001
(
2005
).
39.
T. E.
Sheridan
,
M. R.
Katschke
, and
K. D.
Wells
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
023502
(
2007
).
40.
S. I.
Krasheninnikov
,
Y.
Tomita
,
R. D.
Smirnov
, and
R. K.
Janev
,
Phys. Plasmas
11
,
3141
(
2004
).
41.
A.
Yu. Pigarov
,
S. I.
Krasheninnikov
,
T. K.
Soboleva
, and
T. D.
Rognlien
,
Phys. Plasmas
12
,
122508
(
2005
).
42.
R. D.
Smirnov
,
A. Yu.
Pigarov
,
M.
Rosenberg
,
S. I.
Krasheninnikov
, and
D. A.
Mendis
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
49
,
347
(
2007
).
43.
Y.
Tanaka
,
A. Yu.
Pigarov
,
R. D.
Smirnov
,
S. I.
Krasheninnikov
,
N.
Ohno
, and
Y.
Uesugi
,
Phys. Plasmas
14
,
052504
(
2007
).
44.
C. M.
Ticos
,
Z.
Wang
,
G. L.
Delzanno
, and
G.
Lapenta
,
Phys. Plasmas
13
,
103501
(
2006
).
45.
Z.
Wang
,
P. D.
Beinke
,
C. W.
Barnes
,
M. W.
Martin
,
E.
Mignardot
,
G. A.
Wurden
,
S. C.
Hsu
,
T. P.
Intrator
, and
C. P.
Munson
,
Rev. Sci. Instrum.
76
,
033501
(
2005
).
46.
C. M.
Ticos
,
Z.
Wang
,
L. A.
Dorf
, and
G. A.
Wurden
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
10E304
(
2006
).
47.
A. L.
Roquemore
,
W.
Davis
,
R.
Kaita
,
C. H.
Skinner
,
R.
Maqueda
, and
N.
Nishino
,
Rev. Sci. Instrum.
77
,
10E526
(
2006
).
48.
D. L.
Rudakov
,
W. P.
West
,
C. P. C.
Wong
,
N. H.
Brooks
,
T. E.
Evans
,
M. E.
Fenstermacher
,
M.
Groth
,
S. I.
Krasheninnikov
,
C. J.
Lasnier
,
A. G.
McLean
,
A. Yu.
Pigarov
,
W. M.
Solomon
,
G. Y.
Antar
,
J. A.
Boedo
,
R. P.
Doerner
,
E. M.
Hollmann
,
A. W.
Hyatt
,
R. A.
Moyer
, and
J. G.
Watkins
,
J. Nucl. Mater.
363–365
,
227
(
2007
).
49.
C.
Castaldo
,
S.
Ratynskaia
,
V.
Pericoli
,
U.
de Angelis
,
K.
Rypdal
,
L.
Pieroni
,
E.
Giovannozzi
,
G.
Maddaluno
,
C.
Marmolino
,
A.
Rufoloni
,
A.
Tuccillo
,
M.
Kretschmer
, and
G. E.
Morfill
,
Nucl. Fusion
47
,
L5
(
2007
).
50.
S.
Ratynskaia
,
C.
Castaldo
,
K.
Rypdal
,
G.
Morfill
,
U.
de Angelis
,
V.
Pericoli-Ridolfini
,
A.
Rufoloni
, and
A.
Giovannozzi
,
Nucl. Fusion
48
,
015006
(
2008
).
51.
J.
Winter
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
46
,
B583
(
2004
).
52.
M.
Rubel
,
M.
Cecconello
,
J. A.
Malmberg
,
G.
Sergienko
,
W.
Biel
,
J. R.
Drake
,
A.
Hedqvist
,
A.
Huber
, and
V.
Philipps
,
Nucl. Fusion
41
,
1087
(
2001
).
53.
J. P.
Sharpe
,
D. A.
Petti
, and
H.-W.
Bartels
,
Fusion Eng. Des.
63–64
,
153
(
2002
).
54.
J. F.
O’Hanlon
,
A User’s Guide to Vacuum Technology
(
Wiley
,
New York
,
1989
).
55.
E. E.
Whiting
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf.
8
,
1379
(
1968
).
56.
I. H.
Hutchinson
,
Principles of Plasma Diagnostics
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
2002
).
57.
H. R.
Griem
,
Spectral Line Broadening by Plasmas
(
Academic
,
New York
,
1974
).
58.
R. J.
Adrian
,
Appl. Opt.
23
,
1690
(
1984
).
59.
M.
Raffel
,
C.
Willert
, and
J.
Kompenhans
,
Particle Image Velocimetry: A Practical Guide
(
Springer-Verlag
,
Berlin
,
2002
), pp.
38
40
.
60.
http://www.mathwave.com/products/easyfit.html, Mathwave Technologies, Topol 3, 30/2/27 Dnepropetrovsk, 49041 Ukraine.
61.
B. T.
Draine
and
E. E.
Salpeter
,
Astrophys. J.
231
,
77
(
1979
).
62.
G. L.
Delzanno
,
G.
Lapenta
, and
M.
Rosenberg
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
035002
(
2004
).
You do not currently have access to this content.