空間站微重力復(fù)雜（塵埃）等離子體實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展

杜誠然， 馮 巖， 王曉鋼

（1.東華大學(xué)理學(xué)院， 上海 201620； 2.蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 蘇州 215006；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理學(xué)院， 哈爾濱 150001）

1 引言

塵埃等離子體是由大量處于非束縛態(tài)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(fù)雜等離子體系統(tǒng)，廣泛存在于宇宙空間、星體環(huán)境、芯片制備、聚變裝置等各種等離子體環(huán)境中。 在等離子體中，由于電子與離子慣性的顯著區(qū)別，沉浸其中的塵埃顆粒會(huì)被充電而帶（負(fù)）電荷，這些大質(zhì)量、高電荷、低荷質(zhì)比的顆粒間通過Debye?Yukawa 相互作用產(chǎn)生強(qiáng)耦合效應(yīng)，自組織地形成具有規(guī)則結(jié)構(gòu)的等離子體晶格。 這樣的塵埃等離子體與復(fù)雜流體具有很多相似性，因此，塵埃等離子體也被稱為復(fù)雜等離子體。

塵埃等離子體作為軟物質(zhì)的等離子態(tài)，具有晶體、簡單液體、非晶固體等多個(gè)相態(tài)。 其中，塵埃顆粒的特征時(shí)空尺度可以達(dá)到宏觀可觀測(cè)的范圍：其動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度為幾十毫秒，顆粒與顆粒的間距在亞毫米尺度。 在實(shí)驗(yàn)中利用激光微攝技術(shù)，可以清楚記錄每個(gè)顆粒的瞬時(shí)位置，獲得間隔小于動(dòng)力學(xué)時(shí)間尺度的不同時(shí)刻的系統(tǒng)完整狀態(tài)，得到所有顆粒的運(yùn)動(dòng)過程的宏觀力學(xué)狀態(tài)（即每個(gè)顆粒在不同時(shí)刻的位置和速度）的完全測(cè)量。 因此，塵埃等離子體可以作為實(shí)驗(yàn)室物理模型系統(tǒng)，在宏觀條件下研究物質(zhì)在原子分子尺度上的結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)過程，揭示復(fù)雜物理過程的微觀機(jī)制。

在地面實(shí)驗(yàn)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(chǎng)力相抵消，形成二維與準(zhǔn)二維系統(tǒng)。 Nosenko 等研究了二維晶格中缺陷產(chǎn)生和超聲速遷移；Feng等測(cè)量了晶格剪切熔化過程的溫度梯度；Wong等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了熵的產(chǎn)生是起源于剪切層流中的碰撞，即ECM 漲落理論；Couedel 等發(fā)現(xiàn)誘發(fā)模式耦合不穩(wěn)定性導(dǎo)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(dāng)今的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

然而，在自然界中，物質(zhì)基本上是以三維形式存在的。 理論與實(shí)驗(yàn)研究表明，三維系統(tǒng)在波動(dòng)色散關(guān)系、輸運(yùn)、相變等物理機(jī)制以及統(tǒng)計(jì)規(guī)律與定標(biāo)關(guān)系上與二維系統(tǒng)有本質(zhì)差異。 在地面實(shí)驗(yàn)中，可以利用一些等效失重的方法實(shí)現(xiàn)三維塵埃等離子體。 利用溫度梯度產(chǎn)生熱泳力（Thermo?phoresis）抵消重力的效應(yīng)，Rothermel 等通過溫度梯度產(chǎn)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(tǒng)中，Rubin?Zuzic 等研究了三維晶格的結(jié)晶規(guī)律；Schwabe 等通過研究自激發(fā)波考察流體的宏觀波動(dòng)現(xiàn)象；Tsai 等發(fā)現(xiàn)了海洋中常見的巨波產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理，等等。 但是，在地面實(shí)驗(yàn)室中利用等效微重力效應(yīng)產(chǎn)生的三維塵埃等離子體存在各種缺陷，尤其是熱泳會(huì)導(dǎo)致中性氣體渦旋，極大干擾了實(shí)驗(yàn)的精確測(cè)量。 因此，從1996 年開始，國際上開始了一系列微重力實(shí)驗(yàn)探索。

第一代微重力實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了2 次實(shí)驗(yàn)，然而，這2 輪實(shí)驗(yàn)中并沒有直接觀測(cè)到等離子體晶格。 幾乎同時(shí)，第一代與第二代空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK?1 與PK?2 在和平號(hào)空間站（Mir）上開始運(yùn)行。 在PK?1 裝置的實(shí)驗(yàn)中，銅質(zhì)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(kuò)散并隱約呈現(xiàn)出點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，初步形成三維庫侖晶格。

作為國際空間站（ISS）的第一個(gè)微重力物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)，PK?3 及其升級(jí)裝置自2001 年起在國際空間站完成了30 余次任務(wù)，主要研究三維塵埃等離子體中的等離子體晶格、波動(dòng)、不穩(wěn)定性等物理現(xiàn)象；通過壓縮顆粒云體積增加系統(tǒng)的耦合強(qiáng)度來誘發(fā)結(jié)晶，通過機(jī)器學(xué)習(xí)的方法分析了從晶核生成到晶疇融合的整個(gè)結(jié)晶過程，利用電極上加載交流電壓信號(hào)改變顆粒間相互作用、發(fā)現(xiàn)了塵埃等離子體的電流變現(xiàn)象，研究了塵埃等離子體中的“心跳” 不穩(wěn)定性等。 除此之外，Schwabe 等還利用電場(chǎng)調(diào)控方法研究了波動(dòng)耦合現(xiàn)象并測(cè)量了三維塵埃等離子體的聲速，Heidemann 等發(fā)現(xiàn)了塵埃等離子體的暗孤波的傳輸規(guī)律，Jiang 等研究了微重力環(huán)境下的三維馬赫錐結(jié)構(gòu)，Liu 等研究了塵埃等離子體中顆粒層的波動(dòng)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(nèi)在機(jī)理，等等。

2014 年，最新一代微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室PK?4 開始在國際空間站上運(yùn)行。 利用這一裝置，Pustylnik 等測(cè)量了電流變塵埃等離子體中的鏈結(jié)構(gòu)特征，Mitic 等研究了鏈結(jié)構(gòu)的長時(shí)演化，Nosenko 等通過施加紅外激光束激發(fā)，發(fā)現(xiàn)三維剪切塵埃等離子體中的粘滯系數(shù)遠(yuǎn)小于二維系統(tǒng)，Jaiswal 等研究了自激發(fā)波的色散關(guān)系以及慢化現(xiàn)象。 截至2021 年，實(shí)驗(yàn)室仍在軌運(yùn)行，計(jì)劃的實(shí)驗(yàn)還在持續(xù)開展。

空間站微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)開展已有二十余年，經(jīng)歷了和平號(hào)空間站與國際空間站搭載的4 代PK 系列實(shí)驗(yàn)載荷裝置的迭代與發(fā)展，在結(jié)晶與融化、波動(dòng)與不穩(wěn)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(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室中開展的“行”結(jié)構(gòu)自組織與演化、自激發(fā)塵埃聲波與孤波在界面的傳輸、顆粒的光泳驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象、馬赫錐與界面波的形成4 個(gè)系列實(shí)驗(yàn)研究為例，介紹在空間站微重力實(shí)驗(yàn)條件下開展的復(fù)雜等離子體物理研究進(jìn)展，并對(duì)未來計(jì)劃在中國空間站開展復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)研究做簡單的展望。

2 PK?3 Plus 微重力實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

國際空間站PK?3 Plus 微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室主體是一個(gè)方形容性耦合等離子體真空反應(yīng)腔，如圖1 所示。 反應(yīng)腔體內(nèi)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(hù)圈，寬度為15 mm。 等離子體放電由頻率為13.56 MHz 的射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)放電，工作氣壓范圍5 ～255 Pa。

圖1 PK?3 Plus 實(shí)驗(yàn)裝置［30］Fig.1 Discharge chamber of PK?3 Plus laboratory［30］

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)成為可能。 塵埃顆粒可由電磁顆粒注入器注入，通過調(diào)節(jié)振動(dòng)頻率、振動(dòng)次數(shù)、單次振動(dòng)時(shí)間等參數(shù)控制顆粒的相對(duì)注入量。

在等離子體診斷方面，僅采用一臺(tái)CCD 相機(jī)，記錄等離子體輝光強(qiáng)度，用于判斷等離子體是否產(chǎn)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(chǎn)生一字線激光，照明顆粒云中的一個(gè)二維截面。 同時(shí)采用3 臺(tái)CCD 攝像機(jī)，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(shí)時(shí)二維位置。 攝像機(jī)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(jié)構(gòu)，攝像機(jī)和激光器安裝在同一電控位移平臺(tái)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(jié)構(gòu)自組織與演化

作為斑圖形成中最具代表性的一種，“行”（Lane）結(jié)構(gòu)的自組織與演化，不僅是物理學(xué)同時(shí)也是化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。 在微重力實(shí)驗(yàn)條件下，采用射頻放電獲得氬等離子體，實(shí)驗(yàn)氣壓為30 Pa，有效放電電流約為6 mA。 等離子體流體模擬發(fā)現(xiàn)，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(gè)／cm。 實(shí)驗(yàn)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(shì)場(chǎng)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(chǎn)生一個(gè)具有一定尺寸的無顆?？斩?。 在三維顆粒云穩(wěn)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(yùn)動(dòng)），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(shì)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下穿過由大顆粒組成的塵埃云向裝置的中心位置運(yùn)動(dòng)，在穿越的過程中作為背景的大顆粒自組織出現(xiàn)“行”結(jié)構(gòu)，見圖2（a），利用各向異性尺度參數(shù)（ASIM）S表征局域行結(jié)構(gòu)，在大顆粒云中心位置S～0.3，顯著高于無序結(jié)構(gòu)S＜0.1。 在垂直于輸運(yùn)方向的截面上，可以看到小顆粒形成清晰蜂巢結(jié)構(gòu)，大顆粒“行“結(jié)構(gòu)被小顆粒限制在蜂巢結(jié)構(gòu)的空腔（Cavity）中，見圖2（b）。 該過程為典型的非平衡態(tài)動(dòng)力學(xué)過程。

圖2 “行”結(jié)構(gòu)的形成［31］Fig.2 Lane formation［31］

連續(xù)注入2 束小顆粒，通過調(diào)整注入間隔，測(cè)量第二束顆粒的輸運(yùn)速度。 分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)間隔小于一定閾值（5 s）時(shí)，第二束顆粒的輸運(yùn)速度明顯高于第一束顆粒的輸運(yùn)速度。 在實(shí)驗(yàn)中，第一束顆粒穿越背景大顆粒時(shí)產(chǎn)生通道，當(dāng)間隔時(shí)間小于大顆粒弛豫時(shí)間時(shí)，通道不會(huì)消失，此時(shí)，小顆?？梢岳眠@些通道向裝置中心運(yùn)動(dòng)，提高輸運(yùn)速度。 研究結(jié)果首次揭示了“行”結(jié)構(gòu)演化的記憶效應(yīng)。 小顆粒在穿越的最后階段與大顆粒分離，并形成液滴狀團(tuán)簇。 演化過程中，成行與分相的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制可以利用參數(shù)＝／Δ 度量，其中為驅(qū)動(dòng)力，Δ 是非相加參數(shù)，隨著小顆粒接近裝置中心位置，減小，系統(tǒng)發(fā)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(fā)塵埃聲波與孤波在界面的傳輸

波動(dòng)是復(fù)雜等離子體物理中的一個(gè)重要物理現(xiàn)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(jì)90 年代就被理論預(yù)言并在實(shí)驗(yàn)室中發(fā)現(xiàn)，并獲得了廣泛的關(guān)注。 本文主要關(guān)注波動(dòng)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(shí)驗(yàn)工作氣壓為20 Pa，驅(qū)動(dòng)電壓為21 V，驅(qū)動(dòng)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(wěn)相分解的共同作用下發(fā)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(fā)雙流不穩(wěn)定性，在三維復(fù)雜等離子體中誘發(fā)塵埃聲波。波動(dòng)從大顆粒（外層）傳輸進(jìn)入小顆粒（內(nèi)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(fā)現(xiàn)小顆粒中每個(gè)波峰在接近界面位置發(fā)生分裂，其相對(duì)位置隨著接近界面而減小，呈碰撞趨勢(shì)。 在界面位置，每3 個(gè)波峰中，2 個(gè)波峰發(fā)生融合，另有1 個(gè)波峰保持原有速度跨界面?zhèn)鬏敗?研究首次發(fā)現(xiàn)在不同顆粒介質(zhì)中波動(dòng)頻率匹配的機(jī)制是由碰撞和融合2 個(gè)過程協(xié)同實(shí)現(xiàn)。

與塵埃聲波有不穩(wěn)定性誘發(fā)不同，孤波的產(chǎn)生需要直接外場(chǎng)激發(fā)。 在PK?3 Plus 實(shí)驗(yàn)裝置中，在10 Pa 工作氣壓下加載30 V 射頻驅(qū)動(dòng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)氬等離子體放電，在電極上額外加載脈沖信號(hào)，靠近電極的塵埃顆粒響應(yīng)電脈沖激發(fā)加速，產(chǎn)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(fā)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(shí)驗(yàn)與模擬［33］Fig.3 Propagation of solitary wave in experiments and simulations［33］

分子動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬顯示，孤波在界面處的反射與阻尼相關(guān)，當(dāng)氣壓為10 Pa 時(shí)，反射信號(hào)小于背景噪音，無法直接觀測(cè)。 當(dāng)工作氣壓小于5 Pa時(shí)，反射信號(hào)明顯可見。 此外，實(shí)驗(yàn)和模擬同時(shí)發(fā)現(xiàn)，孤波中顆粒加速度恰在兩相界面處出現(xiàn)，即孤波傳輸?shù)慕缑嫘?yīng)。 在數(shù)值模擬中，通過調(diào)節(jié)離子拖拽力改變界面寬度，研究發(fā)現(xiàn)，在顆粒數(shù)密度可比的情況下，孤波傳輸速度基本不變，然而，反射強(qiáng)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(yīng)強(qiáng)度與界面寬度成反比。 采用擾動(dòng)方法，獲得孤波演化的解析表達(dá)，數(shù)值、理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

綜合塵埃聲波與孤波在界面?zhèn)鬏數(shù)难芯拷Y(jié)果，在動(dòng)理學(xué)層面上揭示了波動(dòng)在兩相界面處的協(xié)同匹配的微觀機(jī)理。

2.4 顆粒的光泳驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象

在空間站微重力實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)。 這些塵埃顆粒往往具有較大的激光散射亮度，其運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)高于周圍其他顆粒，且軌跡在一般情況下不為直線。 大量實(shí)驗(yàn)表明，此種“反?！边\(yùn)動(dòng)顆粒受非定向外力驅(qū)動(dòng)，然而，驅(qū)動(dòng)機(jī)制并不清楚。

通過對(duì)國際空間站PK?3 Plus 實(shí)驗(yàn)室中獲得的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納與分析，結(jié)合三維掃描與位置重建，獲得高速顆粒的三維運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4 所示。 研究發(fā)現(xiàn)，顆粒運(yùn)動(dòng)方向與激光入射方向具有高關(guān)聯(lián)度，揭示光壓可能為顆?？v向運(yùn)動(dòng)的主要驅(qū)動(dòng)機(jī)理。 同時(shí)，顆粒橫向運(yùn)動(dòng)速度與縱向運(yùn)動(dòng)速度可比，表明存在其他驅(qū)動(dòng)機(jī)制。

圖4 “反常”運(yùn)動(dòng)顆粒軌跡［35］Fig.4 Trajectories of “abnormal” particles［35］

結(jié)合地面實(shí)驗(yàn)室大量實(shí)驗(yàn)，并對(duì)高速顆粒進(jìn)行采樣分析，發(fā)現(xiàn)有些顆粒具有不規(guī)則表面。 理論分析表明，不規(guī)則的顆粒表面在激光作用下存在表面溫度差與局域熱點(diǎn)，在與周圍中性氣體環(huán)境相互作用下獲得額外動(dòng)量輸入，即光泳（Photo?phoresis）現(xiàn)象。 研究結(jié)果揭示等離子體中反常運(yùn)動(dòng)顆粒的高速運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)理， 并具有廣泛應(yīng)用。

2.5 馬赫錐與界面波的形成

眾所周知，超聲速運(yùn)動(dòng)顆粒可以在背景環(huán)境中產(chǎn)生馬赫錐。 在空間站微重力復(fù)雜等離子體中，通過測(cè)量高速顆粒運(yùn)動(dòng)速度與馬赫錐角，可以獲得三維復(fù)雜等離子體聲速。

在微重力實(shí)驗(yàn)中，分析二元分相復(fù)雜等離子體背景顆粒的集體運(yùn)動(dòng)發(fā)現(xiàn)，大顆粒系統(tǒng)聲速高于高速顆粒運(yùn)動(dòng)速度，高速顆粒尾部無錐形尾流結(jié)構(gòu)。 當(dāng)顆粒穿越兩相界面位置后，馬赫錐出現(xiàn)，計(jì)算獲得小顆粒系統(tǒng)聲速c～25 mm／s。 然而，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，一般情況下，小顆粒系統(tǒng)由于相對(duì)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(tǒng)。 實(shí)驗(yàn)觀察現(xiàn)象由于高速顆粒加速導(dǎo)致，其加速機(jī)制即為2.4 描述的光泳效應(yīng)。

圖5 高速顆粒界面效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(dòng)力學(xué)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(tǒng)中均以超聲速運(yùn)動(dòng)，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(fā)現(xiàn)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(fā)生明顯彎折。

進(jìn)一步分析界面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)演化發(fā)現(xiàn)，高速顆粒穿越界面激發(fā)徑向傳播的界面孤波信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度隨半徑衰減，衰減速率與背景氣壓成正相關(guān)。 在模擬中，比較高速顆粒穿越方向?qū)缑嫘?yīng)的影響，當(dāng)高速顆粒從大顆粒云進(jìn)入小顆粒云時(shí)，小顆粒進(jìn)入高速顆粒產(chǎn)生的空穴，進(jìn)入深度一般小于0.2 mm。 相反，當(dāng)高速顆粒從小顆粒云進(jìn)入大顆粒云時(shí)，由于馬赫錐尾流加速效應(yīng)，小顆粒持續(xù)進(jìn)入高速顆粒后端的空穴，深度可達(dá)2 mm。 通過改變小顆粒質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入深度與大小顆粒質(zhì)量差成正比。 研究顯示，該界面效應(yīng)與界面兩側(cè)顆粒質(zhì)量比具有高度關(guān)聯(lián)。

3 展望

在過去20 多年間，國際上空間站微重力三維復(fù)雜等離子體物理研究取得了很多重要成果。 然而由于當(dāng)時(shí)技術(shù)的限制和對(duì)物理圖像認(rèn)識(shí)的局限，限制了研究的進(jìn)一步深入。 首先，實(shí)驗(yàn)裝置真空腔體內(nèi)部空間小，邊界效應(yīng)嚴(yán)重，難以研究復(fù)雜等離子體中大尺度穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)過程。 其次，由于電極數(shù)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(duì)各向異形顆粒與活性顆粒進(jìn)行研究。 尤其重要的是，由于診斷技術(shù)限制，顆粒三維位置只能通過掃描重構(gòu)，無法獲得完整三維軌跡，使得研究或限于結(jié)構(gòu)，或限于動(dòng)力學(xué)，無法獲得兩者關(guān)聯(lián)。 最后，調(diào)控和診斷設(shè)備匱乏，無法對(duì)顆粒實(shí)現(xiàn)多維度驅(qū)動(dòng)，也無法精確測(cè)量關(guān)鍵等離子體參數(shù)。 總之，上述裝置及診斷手段上的不足阻礙了微重力復(fù)雜等離子體研究的進(jìn)一步發(fā)展。

2021 年，中國空間站開始建設(shè)，為開展多學(xué)科、系列化和長期的空間研究提供了歷史性的機(jī)遇。 中國空間站微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)方案經(jīng)過多年論證、預(yù)研已趨成熟。 在規(guī)劃的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，真空反應(yīng)腔體內(nèi)部實(shí)驗(yàn)空間遠(yuǎn)大于PK 系列，可有效消除邊界效應(yīng)；使用四電極放電設(shè)置，可提供多種放電與約束位型；搭載顆粒三維成像系統(tǒng)與等離子體診斷系統(tǒng)，可完整記錄顆粒三維運(yùn)動(dòng)軌跡、精確測(cè)量等離子體關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)等離子體性質(zhì)、顆粒結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)的同步記錄與測(cè)量；采用多激光束動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)在不改變等離子體條件下對(duì)顆粒集體運(yùn)動(dòng)的有效調(diào)控。

基于上述實(shí)驗(yàn)研究能力，規(guī)劃了多項(xiàng)重要的研究內(nèi)容，包括：單原子動(dòng)理學(xué)尺度三維相變過程研究、非晶體系的結(jié)構(gòu)與動(dòng)理學(xué)過程研究、非平衡態(tài)統(tǒng)計(jì)物理規(guī)律研究、流體物理與輸運(yùn)過程研究、等離子體與物質(zhì)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(huán)境受控仿真實(shí)驗(yàn)研究等。 中國空間站微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)完成后，將成為空間科學(xué)與物理科學(xué)研究的先進(jìn)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(zhì)科學(xué)、界面科學(xué)、月塵物理、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計(jì)物理、非線性科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域提供世界一流的公共研究平臺(tái)，并取得國際領(lǐng)先水平的突破性成果。

4 結(jié)語

國際空間站PK?3 Plus 微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室于2006 年1 月開始運(yùn)行，2013 年退役，期間完成了21 次實(shí)驗(yàn)任務(wù)，獲得了大量重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 針對(duì)二元分相三維復(fù)雜等離子體系統(tǒng)的產(chǎn)生、演化、與對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)，可獲得以下結(jié)論：

1） 由2 種不同直徑的顆粒組成的二元復(fù)雜等離子體中，由于亞穩(wěn)態(tài)相分解與離子拖拽力的協(xié)同效應(yīng)，二元體系會(huì)自發(fā)呈現(xiàn)相分解現(xiàn)象；

2） 在特定的實(shí)驗(yàn)條件下，非平衡態(tài)復(fù)雜等離子體相分解過程中，大顆粒會(huì)自組織形成“行”結(jié)構(gòu)；

3） 由雙流不穩(wěn)定性誘發(fā)的自激發(fā)波在兩相界面處通過“碰撞”與“融合”兩個(gè)過程實(shí)現(xiàn)頻率匹配，孤波在界面處傳輸速度突變，界面效應(yīng)強(qiáng)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(qū)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度高于背景顆粒系統(tǒng)聲速時(shí)，會(huì)形成馬赫錐形式的尾流，且在界面激發(fā)孤波；

5） 綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬，分相二元顆粒體系多種界面效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)制歸結(jié)為界面兩側(cè)顆粒慣性不對(duì)稱性。

未來中國空間站微重力復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)將克服國際空間站復(fù)雜等離子體實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)局限，配備完善的塵埃等離子體生成、調(diào)控、與診斷設(shè)備，為多學(xué)科交叉研究提供微重力研究平臺(tái)。