空間站微重力復雜（塵埃）等離子體實驗研究進展

杜誠然， 馮 巖， 王曉鋼

（1.東華大學理學院， 上海 201620； 2.蘇州大學物理科學與技術學院， 蘇州 215006；3.哈爾濱工業大學物理學院， 哈爾濱 150001）

1 引言

塵埃等離子體是由大量處于非束縛態的電子、離子以及中性氣體分子和帶電的介觀顆粒組成的一種復雜等離子體系統，廣泛存在于宇宙空間、星體環境、芯片制備、聚變裝置等各種等離子體環境中。 在等離子體中，由于電子與離子慣性的顯著區別，沉浸其中的塵埃顆粒會被充電而帶（負）電荷，這些大質量、高電荷、低荷質比的顆粒間通過Debye?Yukawa 相互作用產生強耦合效應，自組織地形成具有規則結構的等離子體晶格。 這樣的塵埃等離子體與復雜流體具有很多相似性，因此，塵埃等離子體也被稱為復雜等離子體。

塵埃等離子體作為軟物質的等離子態，具有晶體、簡單液體、非晶固體等多個相態。 其中，塵埃顆粒的特征時空尺度可以達到宏觀可觀測的范圍：其動力學時間尺度為幾十毫秒，顆粒與顆粒的間距在亞毫米尺度。 在實驗中利用激光微攝技術，可以清楚記錄每個顆粒的瞬時位置，獲得間隔小于動力學時間尺度的不同時刻的系統完整狀態，得到所有顆粒的運動過程的宏觀力學狀態（即每個顆粒在不同時刻的位置和速度）的完全測量。 因此，塵埃等離子體可以作為實驗室物理模型系統，在宏觀條件下研究物質在原子分子尺度上的結構與動力學過程，揭示復雜物理過程的微觀機制。

在地面實驗中，由于重力作用，顆粒懸浮在下電極上方的等離子體鞘層中，重力與鞘層電場力相抵消，形成二維與準二維系統。 Nosenko 等研究了二維晶格中缺陷產生和超聲速遷移；Feng等測量了晶格剪切熔化過程的溫度梯度；Wong等實驗驗證了熵的產生是起源于剪切層流中的碰撞，即ECM 漲落理論；Couedel 等發現誘發模式耦合不穩定性導致等離子體晶格熔化。 除此之外，活性顆粒與等離子體相互作用也正在成為當今的一個研究熱點。

然而，在自然界中，物質基本上是以三維形式存在的。 理論與實驗研究表明，三維系統在波動色散關系、輸運、相變等物理機制以及統計規律與定標關系上與二維系統有本質差異。 在地面實驗中，可以利用一些等效失重的方法實現三維塵埃等離子體。 利用溫度梯度產生熱泳力（Thermo?phoresis）抵消重力的效應，Rothermel 等通過溫度梯度產生熱泳力來形成等效微重力，從而制備非均勻的小體積三維塵埃等離子體。 在此系統中，Rubin?Zuzic 等研究了三維晶格的結晶規律；Schwabe 等通過研究自激發波考察流體的宏觀波動現象；Tsai 等發現了海洋中常見的巨波產生的內在機理，等等。 但是，在地面實驗室中利用等效微重力效應產生的三維塵埃等離子體存在各種缺陷，尤其是熱泳會導致中性氣體渦旋，極大干擾了實驗的精確測量。 因此，從1996 年開始，國際上開始了一系列微重力實驗探索。

第一代微重力實驗裝置搭載在德國宇航中心探空火箭Texus 上，分別在1996 年和1998 年進行了2 次實驗，然而，這2 輪實驗中并沒有直接觀測到等離子體晶格。 幾乎同時，第一代與第二代空間站復雜等離子體實驗室PK?1 與PK?2 在和平號空間站（Mir）上開始運行。 在PK?1 裝置的實驗中，銅質顆粒在紫外線照射下失去自由電子而帶正電，并在庫侖作用下緩緩從容器中心向外擴散并隱約呈現出點陣結構，初步形成三維庫侖晶格。

作為國際空間站（ISS）的第一個微重力物理科學實驗，PK?3 及其升級裝置自2001 年起在國際空間站完成了30 余次任務，主要研究三維塵埃等離子體中的等離子體晶格、波動、不穩定性等物理現象；通過壓縮顆粒云體積增加系統的耦合強度來誘發結晶，通過機器學習的方法分析了從晶核生成到晶疇融合的整個結晶過程，利用電極上加載交流電壓信號改變顆粒間相互作用、發現了塵埃等離子體的電流變現象，研究了塵埃等離子體中的“心跳” 不穩定性等。 除此之外，Schwabe 等還利用電場調控方法研究了波動耦合現象并測量了三維塵埃等離子體的聲速，Heidemann 等發現了塵埃等離子體的暗孤波的傳輸規律，Jiang 等研究了微重力環境下的三維馬赫錐結構，Liu 等研究了塵埃等離子體中顆粒層的波動特征，Suetterlin 等研究了二元塵埃等離子體在平衡過程中的成“行”，Wysocki等研究了三維二元塵埃等離子體中自然分相的內在機理，等等。

2014 年，最新一代微重力復雜等離子體實驗室PK?4 開始在國際空間站上運行。 利用這一裝置，Pustylnik 等測量了電流變塵埃等離子體中的鏈結構特征，Mitic 等研究了鏈結構的長時演化，Nosenko 等通過施加紅外激光束激發，發現三維剪切塵埃等離子體中的粘滯系數遠小于二維系統，Jaiswal 等研究了自激發波的色散關系以及慢化現象。 截至2021 年，實驗室仍在軌運行，計劃的實驗還在持續開展。

空間站微重力復雜等離子體實驗開展已有二十余年，經歷了和平號空間站與國際空間站搭載的4 代PK 系列實驗載荷裝置的迭代與發展，在結晶與融化、波動與不穩定性、斑圖自組織與演化、界面過程等方面取得了一系列重要的研究成果。 本文以國際空間站PK?3 Plus 復雜等離子體實驗室中開展的“行”結構自組織與演化、自激發塵埃聲波與孤波在界面的傳輸、顆粒的光泳驅動現象、馬赫錐與界面波的形成4 個系列實驗研究為例，介紹在空間站微重力實驗條件下開展的復雜等離子體物理研究進展，并對未來計劃在中國空間站開展復雜等離子體實驗研究做簡單的展望。

2 PK?3 Plus 微重力實驗室的研究結果

2.1 實驗裝置

國際空間站PK?3 Plus 微重力復雜等離子體實驗室主體是一個方形容性耦合等離子體真空反應腔，如圖1 所示。 反應腔體內部尺寸為100 mm×100 mm×54 mm，腔體上下端面安裝圓形電極，電極直徑為60 mm，電極間距為30 mm，電極外緣安裝保護圈，寬度為15 mm。 等離子體放電由頻率為13.56 MHz 的射頻信號驅動，電壓峰值為55 V，最大功率為4 W。 可使用氬氣或者氖氣作為工作氣體實現放電，工作氣壓范圍5 ～255 Pa。

圖1 PK?3 Plus 實驗裝置［30］Fig.1 Discharge chamber of PK?3 Plus laboratory［30］

實驗室搭載6 種塵埃顆粒，材料分別為二氧化硅與三聚氰胺甲醛樹脂微球，直徑范圍1.55 ～14.92 μm，使混合多種顆粒實驗成為可能。 塵埃顆?？捎呻姶蓬w粒注入器注入，通過調節振動頻率、振動次數、單次振動時間等參數控制顆粒的相對注入量。

在等離子體診斷方面，僅采用一臺CCD 相機，記錄等離子體輝光強度，用于判斷等離子體是否產生。 在顆粒成像方面，采用波長為686 nm 的激光器通過鏡片組產生一字線激光，照明顆粒云中的一個二維截面。 同時采用3 臺CCD 攝像機，配備帶通濾波片與不同倍率的鏡頭，以不同空間分辨率記錄顆粒的實時二維位置。 攝像機的拍攝速度為 50 幀／s， 分辨率分別為 80， 50，10 μm／pixel。 為了獲得塵埃顆粒云的三維結構，攝像機和激光器安裝在同一電控位移平臺上，并可在沿一字線激光所在平面的垂直方向上掃描成像。

2.2 “行”結構自組織與演化

作為斑圖形成中最具代表性的一種，“行”（Lane）結構的自組織與演化，不僅是物理學同時也是化學、生物學等多個領域的研究熱點。 在微重力實驗條件下，采用射頻放電獲得氬等離子體，實驗氣壓為30 Pa，有效放電電流約為6 mA。 等離子體流體模擬發現，電子溫度約為4 eV，離子溫度約為 0.025 eV， 電子與離子密度8×10個／cm。 實驗中， 先將一種直徑較大（9.2 μm）的塵埃顆粒（圖3 中青色顆粒）注入等離子體中，帶電顆粒在鞘層等離子體勢場限制下形成橢球形三維顆粒云。 在腔體中心由于向外作用的離子拖拽力的作用，產生一個具有一定尺寸的無顆?？斩?。 在三維顆粒云穩定后，注入一束直徑較?。?.4 μm）的塵埃顆粒（圖2 中紅色顆粒，由左向右運動），相較于大顆粒，小顆粒由于其較小的碰撞截面，受到的離子拖拽力較小，其在等離子體勢場的驅動下穿過由大顆粒組成的塵埃云向裝置的中心位置運動，在穿越的過程中作為背景的大顆粒自組織出現“行”結構，見圖2（a），利用各向異性尺度參數（ASIM）S表征局域行結構，在大顆粒云中心位置S～0.3，顯著高于無序結構S＜0.1。 在垂直于輸運方向的截面上，可以看到小顆粒形成清晰蜂巢結構，大顆粒“行“結構被小顆粒限制在蜂巢結構的空腔（Cavity）中，見圖2（b）。 該過程為典型的非平衡態動力學過程。

圖2 “行”結構的形成［31］Fig.2 Lane formation［31］

連續注入2 束小顆粒，通過調整注入間隔，測量第二束顆粒的輸運速度。 分析發現，當間隔小于一定閾值（5 s）時，第二束顆粒的輸運速度明顯高于第一束顆粒的輸運速度。 在實驗中，第一束顆粒穿越背景大顆粒時產生通道，當間隔時間小于大顆粒弛豫時間時，通道不會消失，此時，小顆?？梢岳眠@些通道向裝置中心運動，提高輸運速度。 研究結果首次揭示了“行”結構演化的記憶效應。 小顆粒在穿越的最后階段與大顆粒分離，并形成液滴狀團簇。 演化過程中，成行與分相的競爭機制可以利用參數＝／Δ 度量，其中為驅動力，Δ 是非相加參數，隨著小顆粒接近裝置中心位置，減小，系統發生相分離。 研究首次在“顆?！背叨壬狭苏故玖讼喾蛛x的微觀過程。

2.3 自激發塵埃聲波與孤波在界面的傳輸

波動是復雜等離子體物理中的一個重要物理現象。 作為第一種可以肉眼直接觀察的縱波，塵埃聲波早在20 世紀90 年代就被理論預言并在實驗室中發現，并獲得了廣泛的關注。 本文主要關注波動在分相體系界面上的傳輸過程。

在空間站微重力條件下，注入2 種不同直徑的塵埃顆粒，實驗工作氣壓為20 Pa，驅動電壓為21 V，驅動電流為14 mA，電子溫度約為3 eV。 大小顆粒在離子拖拽力和亞穩相分解的共同作用下發生相分離，其過程已在2.2 具體描述。 降低真空腔體的工作氣壓至10 Pa，減小阻尼，引發雙流不穩定性，在三維復雜等離子體中誘發塵埃聲波。波動從大顆粒（外層）傳輸進入小顆粒（內層），其頻率分別是3.6 Hz 與5.4 Hz，波長分別是4.2 mm與1.8 mm。 通過追蹤波峰在兩相的軌跡，發現小顆粒中每個波峰在接近界面位置發生分裂，其相對位置隨著接近界面而減小，呈碰撞趨勢。 在界面位置，每3 個波峰中，2 個波峰發生融合，另有1 個波峰保持原有速度跨界面傳輸。 研究首次發現在不同顆粒介質中波動頻率匹配的機制是由碰撞和融合2 個過程協同實現。

與塵埃聲波有不穩定性誘發不同，孤波的產生需要直接外場激發。 在PK?3 Plus 實驗裝置中，在10 Pa 工作氣壓下加載30 V 射頻驅動信號實現氬等離子體放電，在電極上額外加載脈沖信號，靠近電極的塵埃顆粒響應電脈沖激發加速，產生孤波。 孤波在傳輸過程中，由于阻尼的作用，波幅逐漸減小，至兩相界面處幅值驟減，傳輸速度也發生突變，由25 mm／s 減至12 mm／s，如圖3所示。

圖3 孤波演化的實驗與模擬［33］Fig.3 Propagation of solitary wave in experiments and simulations［33］

分子動力學數值模擬顯示，孤波在界面處的反射與阻尼相關，當氣壓為10 Pa 時，反射信號小于背景噪音，無法直接觀測。 當工作氣壓小于5 Pa時，反射信號明顯可見。 此外，實驗和模擬同時發現，孤波中顆粒加速度恰在兩相界面處出現，即孤波傳輸的界面效應。 在數值模擬中，通過調節離子拖拽力改變界面寬度，研究發現，在顆粒數密度可比的情況下，孤波傳輸速度基本不變，然而，反射強度隨界面寬度的減小而增大，而顆粒加速度增大，顯示界面效應強度與界面寬度成反比。 采用擾動方法，獲得孤波演化的解析表達，數值、理論與實驗結果基本吻合。

綜合塵埃聲波與孤波在界面傳輸的研究結果，在動理學層面上揭示了波動在兩相界面處的協同匹配的微觀機理。

2.4 顆粒的光泳驅動現象

在空間站微重力實驗中，觀察到少量塵埃顆粒在空間中以不同于周圍顆粒的軌跡運動。 這些塵埃顆粒往往具有較大的激光散射亮度，其運動速度遠高于周圍其他顆粒，且軌跡在一般情況下不為直線。 大量實驗表明，此種“反常”運動顆粒受非定向外力驅動，然而，驅動機制并不清楚。

通過對國際空間站PK?3 Plus 實驗室中獲得的大量實驗數據進行歸納與分析，結合三維掃描與位置重建，獲得高速顆粒的三維運動軌跡，如圖4 所示。 研究發現，顆粒運動方向與激光入射方向具有高關聯度，揭示光壓可能為顆粒縱向運動的主要驅動機理。 同時，顆粒橫向運動速度與縱向運動速度可比，表明存在其他驅動機制。

圖4 “反?！边\動顆粒軌跡［35］Fig.4 Trajectories of “abnormal” particles［35］

結合地面實驗室大量實驗，并對高速顆粒進行采樣分析，發現有些顆粒具有不規則表面。 理論分析表明，不規則的顆粒表面在激光作用下存在表面溫度差與局域熱點，在與周圍中性氣體環境相互作用下獲得額外動量輸入，即光泳（Photo?phoresis）現象。 研究結果揭示等離子體中反常運動顆粒的高速運動驅動機理， 并具有廣泛應用。

2.5 馬赫錐與界面波的形成

眾所周知，超聲速運動顆?？梢栽诒尘碍h境中產生馬赫錐。 在空間站微重力復雜等離子體中，通過測量高速顆粒運動速度與馬赫錐角，可以獲得三維復雜等離子體聲速。

在微重力實驗中，分析二元分相復雜等離子體背景顆粒的集體運動發現，大顆粒系統聲速高于高速顆粒運動速度，高速顆粒尾部無錐形尾流結構。 當顆粒穿越兩相界面位置后，馬赫錐出現，計算獲得小顆粒系統聲速c～25 mm／s。 然而，結合分子動力學模擬發現，一般情況下，小顆粒系統由于相對較高的顆粒密度，見圖5（a ～c），即便顆粒帶電較低，其聲速仍然高于大顆粒系統。 實驗觀察現象由于高速顆粒加速導致，其加速機制即為2.4 描述的光泳效應。

圖5 高速顆粒界面效應的實驗與模擬［36］Fig.5 Interfacial phenomena excited by “abnormal”supersonic particle in experiments and simula?tions［36］

為了簡化模型，在分子動力學模擬中忽略高速顆粒的加速過程，即高速顆粒在大小顆粒系統中均以超聲速運動，分析背景顆粒的軸向速度（圖5（d～f））與徑向速度（圖5（g～i）），發現高速顆粒在穿越兩相界面后馬赫錐錐角顯著增大，尾錐形貌在界面處發生明顯彎折。

進一步分析界面的拓撲結構演化發現，高速顆粒穿越界面激發徑向傳播的界面孤波信號，信號強度隨半徑衰減，衰減速率與背景氣壓成正相關。 在模擬中，比較高速顆粒穿越方向對界面效應的影響，當高速顆粒從大顆粒云進入小顆粒云時，小顆粒進入高速顆粒產生的空穴，進入深度一般小于0.2 mm。 相反，當高速顆粒從小顆粒云進入大顆粒云時，由于馬赫錐尾流加速效應，小顆粒持續進入高速顆粒后端的空穴，深度可達2 mm。 通過改變小顆粒質量，發現進入深度與大小顆粒質量差成正比。 研究顯示，該界面效應與界面兩側顆粒質量比具有高度關聯。

3 展望

在過去20 多年間，國際上空間站微重力三維復雜等離子體物理研究取得了很多重要成果。 然而由于當時技術的限制和對物理圖像認識的局限，限制了研究的進一步深入。 首先，實驗裝置真空腔體內部空間小，邊界效應嚴重，難以研究復雜等離子體中大尺度穩態輸運過程。 其次，由于電極數量的限制，放電位形單一。 再次，顆粒注入器僅搭載了球形顆粒，沒有對各向異形顆粒與活性顆粒進行研究。 尤其重要的是，由于診斷技術限制，顆粒三維位置只能通過掃描重構，無法獲得完整三維軌跡，使得研究或限于結構，或限于動力學，無法獲得兩者關聯。 最后，調控和診斷設備匱乏，無法對顆粒實現多維度驅動，也無法精確測量關鍵等離子體參數。 總之，上述裝置及診斷手段上的不足阻礙了微重力復雜等離子體研究的進一步發展。

2021 年，中國空間站開始建設，為開展多學科、系列化和長期的空間研究提供了歷史性的機遇。 中國空間站微重力復雜等離子體實驗平臺的建設方案經過多年論證、預研已趨成熟。 在規劃的實驗平臺中，真空反應腔體內部實驗空間遠大于PK 系列，可有效消除邊界效應；使用四電極放電設置，可提供多種放電與約束位型；搭載顆粒三維成像系統與等離子體診斷系統，可完整記錄顆粒三維運動軌跡、精確測量等離子體關鍵參數，實現等離子體性質、顆粒結構與動力學的同步記錄與測量；采用多激光束動態驅動，可實現在不改變等離子體條件下對顆粒集體運動的有效調控。

基于上述實驗研究能力，規劃了多項重要的研究內容，包括：單原子動理學尺度三維相變過程研究、非晶體系的結構與動理學過程研究、非平衡態統計物理規律研究、流體物理與輸運過程研究、等離子體與物質相互作用研究、自組織行為與等離子體特性研究、地外天體塵埃環境受控仿真實驗研究等。 中國空間站微重力復雜等離子體實驗平臺建設完成后，將成為空間科學與物理科學研究的先進手段、國際合作的重要窗口，為等離子體物理、流體物理、軟物質科學、界面科學、月塵物理、凝聚態物理、統計物理、非線性科學、材料科學等領域提供世界一流的公共研究平臺，并取得國際領先水平的突破性成果。

4 結語

國際空間站PK?3 Plus 微重力復雜等離子體實驗室于2006 年1 月開始運行，2013 年退役，期間完成了21 次實驗任務，獲得了大量重要的實驗結果。 針對二元分相三維復雜等離子體系統的產生、演化、與對擾動的響應，可獲得以下結論：

1） 由2 種不同直徑的顆粒組成的二元復雜等離子體中，由于亞穩態相分解與離子拖拽力的協同效應，二元體系會自發呈現相分解現象；

2） 在特定的實驗條件下，非平衡態復雜等離子體相分解過程中，大顆粒會自組織形成“行”結構；

3） 由雙流不穩定性誘發的自激發波在兩相界面處通過“碰撞”與“融合”兩個過程實現頻率匹配，孤波在界面處傳輸速度突變，界面效應強度與界面寬度成反比；

4） “反?！备咚兕w粒由光壓與光泳共同驅動，當運動速度高于背景顆粒系統聲速時，會形成馬赫錐形式的尾流，且在界面激發孤波；

5） 綜合實驗結果與數值模擬，分相二元顆粒體系多種界面效應的產生機制歸結為界面兩側顆粒慣性不對稱性。

未來中國空間站微重力復雜等離子體實驗平臺建設將克服國際空間站復雜等離子體實驗室的設計局限，配備完善的塵埃等離子體生成、調控、與診斷設備，為多學科交叉研究提供微重力研究平臺。