空间站微重力复杂（尘埃）等离子体实验研究进展

2022-06-29杜诚然王晓钢

载人航天 2022年3期

杜诚然，冯岩，王晓钢

（1.东华大学理学院，上海 201620； 2.苏州大学物理科学与技术学院，苏州 215006；3.哈尔滨工业大学物理学院，哈尔滨 150001）

1 引言

尘埃等离子体是由大量处于非束缚态的电子、离子以及中性气体分子和带电的介观颗粒组成的一种复杂等离子体系统，广泛存在于宇宙空间、星体环境、芯片制备、聚变装置等各种等离子体环境中。在等离子体中，由于电子与离子惯性的显著区别，沉浸其中的尘埃颗粒会被充电而带（负）电荷，这些大质量、高电荷、低荷质比的颗粒间通过Debye⁃Yukawa 相互作用产生强耦合效应，自组织地形成具有规则结构的等离子体晶格。这样的尘埃等离子体与复杂流体具有很多相似性，因此，尘埃等离子体也被称为复杂等离子体。

尘埃等离子体作为软物质的等离子态，具有晶体、简单液体、非晶固体等多个相态。其中，尘埃颗粒的特征时空尺度可以达到宏观可观测的范围：其动力学时间尺度为几十毫秒，颗粒与颗粒的间距在亚毫米尺度。在实验中利用激光微摄技术，可以清楚记录每个颗粒的瞬时位置，获得间隔小于动力学时间尺度的不同时刻的系统完整状态，得到所有颗粒的运动过程的宏观力学状态（即每个颗粒在不同时刻的位置和速度）的完全测量。因此，尘埃等离子体可以作为实验室物理模型系统，在宏观条件下研究物质在原子分子尺度上的结构与动力学过程，揭示复杂物理过程的微观机制。

在地面实验中，由于重力作用，颗粒悬浮在下电极上方的等离子体鞘层中，重力与鞘层电场力相抵消，形成二维与准二维系统。 Nosenko 等研究了二维晶格中缺陷产生和超声速迁移；Feng等测量了晶格剪切熔化过程的温度梯度；Wong等实验验证了熵的产生是起源于剪切层流中的碰撞，即ECM 涨落理论；Couedel 等发现诱发模式耦合不稳定性导致等离子体晶格熔化。除此之外，活性颗粒与等离子体相互作用也正在成为当今的一个研究热点。

然而，在自然界中，物质基本上是以三维形式存在的。理论与实验研究表明，三维系统在波动色散关系、输运、相变等物理机制以及统计规律与定标关系上与二维系统有本质差异。在地面实验中，可以利用一些等效失重的方法实现三维尘埃等离子体。利用温度梯度产生热泳力（Thermo⁃phoresis）抵消重力的效应，Rothermel 等通过温度梯度产生热泳力来形成等效微重力，从而制备非均匀的小体积三维尘埃等离子体。在此系统中，Rubin⁃Zuzic 等研究了三维晶格的结晶规律；Schwabe 等通过研究自激发波考察流体的宏观波动现象；Tsai 等发现了海洋中常见的巨波产生的内在机理，等等。但是，在地面实验室中利用等效微重力效应产生的三维尘埃等离子体存在各种缺陷，尤其是热泳会导致中性气体涡旋，极大干扰了实验的精确测量。因此，从1996 年开始，国际上开始了一系列微重力实验探索。

第一代微重力实验装置搭载在德国宇航中心探空火箭Texus 上，分别在1996 年和1998 年进行了2 次实验，然而，这2 轮实验中并没有直接观测到等离子体晶格。几乎同时，第一代与第二代空间站复杂等离子体实验室PK⁃1 与PK⁃2 在和平号空间站（Mir）上开始运行。在PK⁃1 装置的实验中，铜质颗粒在紫外线照射下失去自由电子而带正电，并在库仑作用下缓缓从容器中心向外扩散并隐约呈现出点阵结构，初步形成三维库仑晶格。

作为国际空间站（ISS）的第一个微重力物理科学实验，PK⁃3 及其升级装置自2001 年起在国际空间站完成了30 余次任务，主要研究三维尘埃等离子体中的等离子体晶格、波动、不稳定性等物理现象；通过压缩颗粒云体积增加系统的耦合强度来诱发结晶，通过机器学习的方法分析了从晶核生成到晶畴融合的整个结晶过程，利用电极上加载交流电压信号改变颗粒间相互作用、发现了尘埃等离子体的电流变现象，研究了尘埃等离子体中的“心跳” 不稳定性等。除此之外，Schwabe 等还利用电场调控方法研究了波动耦合现象并测量了三维尘埃等离子体的声速，Heidemann 等发现了尘埃等离子体的暗孤波的传输规律，Jiang 等研究了微重力环境下的三维马赫锥结构，Liu 等研究了尘埃等离子体中颗粒层的波动特征，Suetterlin 等研究了二元尘埃等离子体在平衡过程中的成“行”，Wysocki等研究了三维二元尘埃等离子体中自然分相的内在机理，等等。

2014 年，最新一代微重力复杂等离子体实验室PK⁃4 开始在国际空间站上运行。利用这一装置，Pustylnik 等测量了电流变尘埃等离子体中的链结构特征，Mitic 等研究了链结构的长时演化，Nosenko 等通过施加红外激光束激发，发现三维剪切尘埃等离子体中的粘滞系数远小于二维系统，Jaiswal 等研究了自激发波的色散关系以及慢化现象。截至2021 年，实验室仍在轨运行，计划的实验还在持续开展。

空间站微重力复杂等离子体实验开展已有二十余年，经历了和平号空间站与国际空间站搭载的4 代PK 系列实验载荷装置的迭代与发展，在结晶与融化、波动与不稳定性、斑图自组织与演化、界面过程等方面取得了一系列重要的研究成果。本文以国际空间站PK⁃3 Plus 复杂等离子体实验室中开展的“行”结构自组织与演化、自激发尘埃声波与孤波在界面的传输、颗粒的光泳驱动现象、马赫锥与界面波的形成4 个系列实验研究为例，介绍在空间站微重力实验条件下开展的复杂等离子体物理研究进展，并对未来计划在中国空间站开展复杂等离子体实验研究做简单的展望。

2 PK⁃3 Plus 微重力实验室的研究结果

2.1 实验装置

国际空间站PK⁃3 Plus 微重力复杂等离子体实验室主体是一个方形容性耦合等离子体真空反应腔，如图1 所示。反应腔体内部尺寸为100 mm×100 mm×54 mm，腔体上下端面安装圆形电极，电极直径为60 mm，电极间距为30 mm，电极外缘安装保护圈，宽度为15 mm。等离子体放电由频率为13.56 MHz 的射频信号驱动，电压峰值为55 V，最大功率为4 W。可使用氩气或者氖气作为工作气体实现放电，工作气压范围5 ～255 Pa。

图1 PK⁃3 Plus 实验装置［30］Fig.1 Discharge chamber of PK⁃3 Plus laboratory［30］

实验室搭载6 种尘埃颗粒，材料分别为二氧化硅与三聚氰胺甲醛树脂微球，直径范围1.55 ～14.92 μm，使混合多种颗粒实验成为可能。尘埃颗粒可由电磁颗粒注入器注入，通过调节振动频率、振动次数、单次振动时间等参数控制颗粒的相对注入量。

在等离子体诊断方面，仅采用一台CCD 相机，记录等离子体辉光强度，用于判断等离子体是否产生。在颗粒成像方面，采用波长为686 nm 的激光器通过镜片组产生一字线激光，照明颗粒云中的一个二维截面。同时采用3 台CCD 摄像机，配备带通滤波片与不同倍率的镜头，以不同空间分辨率记录颗粒的实时二维位置。摄像机的拍摄速度为 50 帧／s，分辨率分别为 80， 50，10 μm／pixel。为了获得尘埃颗粒云的三维结构，摄像机和激光器安装在同一电控位移平台上，并可在沿一字线激光所在平面的垂直方向上扫描成像。

2.2 “行”结构自组织与演化

作为斑图形成中最具代表性的一种，“行”（Lane）结构的自组织与演化，不仅是物理学同时也是化学、生物学等多个领域的研究热点。在微重力实验条件下，采用射频放电获得氩等离子体，实验气压为30 Pa，有效放电电流约为6 mA。等离子体流体模拟发现，电子温度约为4 eV，离子温度约为 0.025 eV，电子与离子密度8×10个／cm。实验中，先将一种直径较大（9.2 μm）的尘埃颗粒（图3 中青色颗粒）注入等离子体中，带电颗粒在鞘层等离子体势场限制下形成椭球形三维颗粒云。在腔体中心由于向外作用的离子拖拽力的作用，产生一个具有一定尺寸的无颗粒空洞。在三维颗粒云稳定后，注入一束直径较小（3.4 μm）的尘埃颗粒（图2 中红色颗粒，由左向右运动），相较于大颗粒，小颗粒由于其较小的碰撞截面，受到的离子拖拽力较小，其在等离子体势场的驱动下穿过由大颗粒组成的尘埃云向装置的中心位置运动，在穿越的过程中作为背景的大颗粒自组织出现“行”结构，见图2（a），利用各向异性尺度参数（ASIM）S表征局域行结构，在大颗粒云中心位置S～0.3，显著高于无序结构S＜0.1。在垂直于输运方向的截面上，可以看到小颗粒形成清晰蜂巢结构，大颗粒“行“结构被小颗粒限制在蜂巢结构的空腔（Cavity）中，见图2（b）。该过程为典型的非平衡态动力学过程。

图2 “行”结构的形成［31］Fig.2 Lane formation［31］

连续注入2 束小颗粒，通过调整注入间隔，测量第二束颗粒的输运速度。分析发现，当间隔小于一定阈值（5 s）时，第二束颗粒的输运速度明显高于第一束颗粒的输运速度。在实验中，第一束颗粒穿越背景大颗粒时产生通道，当间隔时间小于大颗粒弛豫时间时，通道不会消失，此时，小颗粒可以利用这些通道向装置中心运动，提高输运速度。研究结果首次揭示了“行”结构演化的记忆效应。小颗粒在穿越的最后阶段与大颗粒分离，并形成液滴状团簇。演化过程中，成行与分相的竞争机制可以利用参数＝／Δ 度量，其中为驱动力，Δ 是非相加参数，随着小颗粒接近装置中心位置，减小，系统发生相分离。研究首次在“颗粒”尺度上了展示了相分离的微观过程。

2.3 自激发尘埃声波与孤波在界面的传输

波动是复杂等离子体物理中的一个重要物理现象。作为第一种可以肉眼直接观察的纵波，尘埃声波早在20 世纪90 年代就被理论预言并在实验室中发现，并获得了广泛的关注。本文主要关注波动在分相体系界面上的传输过程。

在空间站微重力条件下，注入2 种不同直径的尘埃颗粒，实验工作气压为20 Pa，驱动电压为21 V，驱动电流为14 mA，电子温度约为3 eV。大小颗粒在离子拖拽力和亚稳相分解的共同作用下发生相分离，其过程已在2.2 具体描述。降低真空腔体的工作气压至10 Pa，减小阻尼，引发双流不稳定性，在三维复杂等离子体中诱发尘埃声波。波动从大颗粒（外层）传输进入小颗粒（内层），其频率分别是3.6 Hz 与5.4 Hz，波长分别是4.2 mm与1.8 mm。通过追踪波峰在两相的轨迹，发现小颗粒中每个波峰在接近界面位置发生分裂，其相对位置随着接近界面而减小，呈碰撞趋势。在界面位置，每3 个波峰中，2 个波峰发生融合，另有1 个波峰保持原有速度跨界面传输。研究首次发现在不同颗粒介质中波动频率匹配的机制是由碰撞和融合2 个过程协同实现。

与尘埃声波有不稳定性诱发不同，孤波的产生需要直接外场激发。在PK⁃3 Plus 实验装置中，在10 Pa 工作气压下加载30 V 射频驱动信号实现氩等离子体放电，在电极上额外加载脉冲信号，靠近电极的尘埃颗粒响应电脉冲激发加速，产生孤波。孤波在传输过程中，由于阻尼的作用，波幅逐渐减小，至两相界面处幅值骤减，传输速度也发生突变，由25 mm／s 减至12 mm／s，如图3所示。

图3 孤波演化的实验与模拟［33］Fig.3 Propagation of solitary wave in experiments and simulations［33］

分子动力学数值模拟显示，孤波在界面处的反射与阻尼相关，当气压为10 Pa 时，反射信号小于背景噪音，无法直接观测。当工作气压小于5 Pa时，反射信号明显可见。此外，实验和模拟同时发现，孤波中颗粒加速度恰在两相界面处出现，即孤波传输的界面效应。在数值模拟中，通过调节离子拖拽力改变界面宽度，研究发现，在颗粒数密度可比的情况下，孤波传输速度基本不变，然而，反射强度随界面宽度的减小而增大，而颗粒加速度增大，显示界面效应强度与界面宽度成反比。采用扰动方法，获得孤波演化的解析表达，数值、理论与实验结果基本吻合。

综合尘埃声波与孤波在界面传输的研究结果，在动理学层面上揭示了波动在两相界面处的协同匹配的微观机理。

2.4 颗粒的光泳驱动现象

在空间站微重力实验中，观察到少量尘埃颗粒在空间中以不同于周围颗粒的轨迹运动。这些尘埃颗粒往往具有较大的激光散射亮度，其运动速度远高于周围其他颗粒，且轨迹在一般情况下不为直线。大量实验表明，此种“反常”运动颗粒受非定向外力驱动，然而，驱动机制并不清楚。

通过对国际空间站PK⁃3 Plus 实验室中获得的大量实验数据进行归纳与分析，结合三维扫描与位置重建，获得高速颗粒的三维运动轨迹，如图4 所示。研究发现，颗粒运动方向与激光入射方向具有高关联度，揭示光压可能为颗粒纵向运动的主要驱动机理。同时，颗粒横向运动速度与纵向运动速度可比，表明存在其他驱动机制。

图4 “反常”运动颗粒轨迹［35］Fig.4 Trajectories of “abnormal” particles［35］

结合地面实验室大量实验，并对高速颗粒进行采样分析，发现有些颗粒具有不规则表面。理论分析表明，不规则的颗粒表面在激光作用下存在表面温度差与局域热点，在与周围中性气体环境相互作用下获得额外动量输入，即光泳（Photo⁃phoresis）现象。研究结果揭示等离子体中反常运动颗粒的高速运动驱动机理，并具有广泛应用。

2.5 马赫锥与界面波的形成

众所周知，超声速运动颗粒可以在背景环境中产生马赫锥。在空间站微重力复杂等离子体中，通过测量高速颗粒运动速度与马赫锥角，可以获得三维复杂等离子体声速。

在微重力实验中，分析二元分相复杂等离子体背景颗粒的集体运动发现，大颗粒系统声速高于高速颗粒运动速度，高速颗粒尾部无锥形尾流结构。当颗粒穿越两相界面位置后，马赫锥出现，计算获得小颗粒系统声速c～25 mm／s。然而，结合分子动力学模拟发现，一般情况下，小颗粒系统由于相对较高的颗粒密度，见图5（a ～c），即便颗粒带电较低，其声速仍然高于大颗粒系统。实验观察现象由于高速颗粒加速导致，其加速机制即为2.4 描述的光泳效应。

图5 高速颗粒界面效应的实验与模拟［36］Fig.5 Interfacial phenomena excited by “abnormal”supersonic particle in experiments and simula⁃tions［36］

为了简化模型，在分子动力学模拟中忽略高速颗粒的加速过程，即高速颗粒在大小颗粒系统中均以超声速运动，分析背景颗粒的轴向速度（图5（d～f））与径向速度（图5（g～i）），发现高速颗粒在穿越两相界面后马赫锥锥角显著增大，尾锥形貌在界面处发生明显弯折。

进一步分析界面的拓扑结构演化发现，高速颗粒穿越界面激发径向传播的界面孤波信号，信号强度随半径衰减，衰减速率与背景气压成正相关。在模拟中，比较高速颗粒穿越方向对界面效应的影响，当高速颗粒从大颗粒云进入小颗粒云时，小颗粒进入高速颗粒产生的空穴，进入深度一般小于0.2 mm。相反，当高速颗粒从小颗粒云进入大颗粒云时，由于马赫锥尾流加速效应，小颗粒持续进入高速颗粒后端的空穴，深度可达2 mm。通过改变小颗粒质量，发现进入深度与大小颗粒质量差成正比。研究显示，该界面效应与界面两侧颗粒质量比具有高度关联。

3 展望

在过去20 多年间，国际上空间站微重力三维复杂等离子体物理研究取得了很多重要成果。然而由于当时技术的限制和对物理图像认识的局限，限制了研究的进一步深入。首先，实验装置真空腔体内部空间小，边界效应严重，难以研究复杂等离子体中大尺度稳态输运过程。其次，由于电极数量的限制，放电位形单一。再次，颗粒注入器仅搭载了球形颗粒，没有对各向异形颗粒与活性颗粒进行研究。尤其重要的是，由于诊断技术限制，颗粒三维位置只能通过扫描重构，无法获得完整三维轨迹，使得研究或限于结构，或限于动力学，无法获得两者关联。最后，调控和诊断设备匮乏，无法对颗粒实现多维度驱动，也无法精确测量关键等离子体参数。总之，上述装置及诊断手段上的不足阻碍了微重力复杂等离子体研究的进一步发展。

2021 年，中国空间站开始建设，为开展多学科、系列化和长期的空间研究提供了历史性的机遇。中国空间站微重力复杂等离子体实验平台的建设方案经过多年论证、预研已趋成熟。在规划的实验平台中，真空反应腔体内部实验空间远大于PK 系列，可有效消除边界效应；使用四电极放电设置，可提供多种放电与约束位型；搭载颗粒三维成像系统与等离子体诊断系统，可完整记录颗粒三维运动轨迹、精确测量等离子体关键参数，实现等离子体性质、颗粒结构与动力学的同步记录与测量；采用多激光束动态驱动，可实现在不改变等离子体条件下对颗粒集体运动的有效调控。

基于上述实验研究能力，规划了多项重要的研究内容，包括：单原子动理学尺度三维相变过程研究、非晶体系的结构与动理学过程研究、非平衡态统计物理规律研究、流体物理与输运过程研究、等离子体与物质相互作用研究、自组织行为与等离子体特性研究、地外天体尘埃环境受控仿真实验研究等。中国空间站微重力复杂等离子体实验平台建设完成后，将成为空间科学与物理科学研究的先进手段、国际合作的重要窗口，为等离子体物理、流体物理、软物质科学、界面科学、月尘物理、凝聚态物理、统计物理、非线性科学、材料科学等领域提供世界一流的公共研究平台，并取得国际领先水平的突破性成果。