Name: 实验室落塔的粉尘聚集在碰撞早期太阳系的实验模拟 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: 了解实验室落塔模拟早期太阳系尘埃聚集碰撞的方法，利用真空微重力环境和高速成像技术研究行星形成初期的能量损失与碎裂过程。该技术为行星形成物理模型提供关键实验数据。

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作者感谢德国航空航天中心（Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt，DLR）、德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft，DFG）以及布伦瑞克工业大学（TU Braunschweig）对我们实验室工作的持续支持。低速落塔装置是在 DLR 资助项目（编号 50WM0936）下建立的，高速落塔装置则是在 DFG 资助项目（编号 INST 186/959-1）支持下开发的，该项目属于 CRC 963 “天体物理流动不稳定性与湍流”研究合作组的一部分。

警告：根据所用颗粒物的危险性（相关信息可在对应的安全数据表中查得），操作粉尘的人员必须佩戴口腔防护装置和个人防护装备。建议使用吸气系统以保持周围空气无尘。
1. 厘米级尘埃聚集体样品的制备
<ol>
	<li>根据公式 m = Φ ρ0 V 计算所需材料的质量，其中 m 为所需质量，Φ 为所需的体积填充因子（体积填充因子 = 1 - 孔隙率），ρ0 为材料密度，V 为样品体积。为制备一个直径和高度均为 5 cm、孔隙率为 70%（体积填充因子 = 0.3）的圆柱形样品，需要 77 g 的不规则硅酸盐粉尘（ρ0 = 2.6 g/cm3）。 
	注意：类地行星的形成始于微米级尘埃颗粒——主要成分为硅酸盐——凝聚成厘米级多孔天体的过程。一种经过充分研究且适用的实验室模拟材料是 SiO2，其可提供不规则形状的粉末形式，粒径分布范围为 0.5 至 10 µm，也可提供单分散球形颗粒形式，以便与理论模型进行更有效的比较（见表 1和图 1）。</li>
</ol>
<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:161px;">SiO2-单体颗粒类型</td>
			<td style="width:96px;">制造商</td>
			<td style="width:119px;">颗粒直径</td>
			<td style="width:95px;">颗粒形状</td>
			<td style="width:100px;">示例图</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">单分散性</td>
			<td>Micromod</td>
			<td>1.52 ± 0.06 µm</td>
			<td>球形</td>
			<td>图 1 （左）</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">多分散性</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>0.1 – 10 µm</td>
			<td>不规则</td>
			<td>图 1（右）</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
表1. 尘埃团块碰撞实验中所用SiO2颗粒的特性。
<img alt="光滑微球与粗糙颗粒的扫描电镜对比；形貌研究，2µm和5µm尺度。" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
图1. 用于制备宏观尘埃聚集体的单分散（左）和多分散（右）SiO2颗粒的电子显微镜图像。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<ol start="2">
	<li>取一个装有微米级 SiO2 颗粒的容器（见表 1），将其内容物倒入孔径为 0.5 mm 的筛子中。筛取足量材料，并将计算好的质量填充入模具中。用手推动活塞对模具中的材料进行压实，直至达到所需样品高度（例如 5 cm）。将模具连同活塞一起翻转，打开底板，轻轻将样品推出。 
	注意：样品可制成多种形状（球形和圆柱形）、尺寸（1 mm 至 10 cm）和孔隙率（60% 至 85%）（见图 3）。这些样品可在碰撞实验中单独使用，也可组合成团簇，与其他聚集体或团簇发生碰撞。</li>
</ol>
<img alt="固体密度比较实验；不同尺寸圆柱体置于黑色表面；物理密度分析。" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图2"> 
图2. 粉尘聚集体样品尺寸与形状变化的实物照片。图中所示样品包括：直径为1 cm、2 cm和5 cm的粉尘圆柱体（后一排），直径为1 cm和2 cm的粉尘球体（中间一排），以及粒径为2–3 mm的Al2O3球体（前排）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的高清版本。</a>
<ol start="3">
	<li>根据孔隙率和均一性对样品进行表征。若样品超出允许范围，则制备新的样品。
	<ol>
		<li>为测定粉尘样品的孔隙率，需通过测量其尺寸以确定体积，并使用精密天平称量其质量。</li>
		<li>使用X射线断层扫描（XRT）12 以获取所制备样品的均一性及孔径分布信息。 
		注意：对于尺寸为5 cm的尘埃聚集体，我们发现其体积填充因子与平均值存在偏差， 即 样品的质量密度与单体尘埃颗粒的材料密度之比，在样品主体内部仅为约1%，并向外边界方向体积填充因子略有增加，最大可达8%12. 图3 显示一个直径5 cm、高5 cm的圆柱形尘埃聚集体的X射线断层扫描（XRT）重建切面图。我们并非对每个尘埃聚集体都进行XRT扫描，而是通过随机抽样来检查其内部结构和均匀性。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="混凝土孔隙率示意图；体积填充因子标度；结构密度测量；2.5 厘米立方体。" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 3"> 
图 3. 圆柱形尘埃聚集体样品经X射线断层扫描（XRT）分析后内部结构的重建图，样品高度为5 cm，直径为5 cm。 灰度表示体积填充因子，即样品质量密度与单体尘埃颗粒材料密度的比值。从XRT重建结果可以明显看出，该高孔隙度样品是由毫米尺度的尘埃聚集体组装而成的。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
2. 落塔装置的原理
<ol>
	<li>释放机制： 
在落塔的上部，两个释放机制上下叠放安装。每个机制分别固定一个样品，并将其释放进入自由下落。上下颗粒释放的时间差决定了碰撞的相对速度。根据颗粒的形貌和形状，选择相应的释放机制。若使用颗粒加速机制，则仅需一个释放装置。
	<ol>
		<li>绳系颗粒释放机制（球形样品，上部颗粒）： 
该释放机制由一个线性电磁铁和一个固体金属对极片组成。
		<ol>
			<li>将待释放的颗粒系于绳上，并通过将绳夹在线性电磁铁与固体金属对极片之间来固定绳子。</li>
			<li>通过向线性电磁铁施加电流以释放颗粒（见Movie 1）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>翻板门释放机制（球形样品，下部颗粒）： 
该释放机制由一个旋转电磁铁构成，其上连接有一个颗粒承载装置。
		<ol>
			<li>将颗粒放入半球形模具中，当施加电流时，旋转电磁铁驱动模具向下翻转（见Movie 1）。</li>
			<li>该机制也可用于释放颗粒团簇或聚集体团块。后一种情况下，可将两个翻板门释放机制上下叠放使用（见Movie 2）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>剪刀式双释放机制（柱状样品）： 
该释放机制由两对旋转电磁铁构成，每对电磁铁上连接一根金属杆。每个释放机制的两个电磁铁安装位置使得两根金属杆保持平行。
		<ol>
			<li>将两个样品分别放置在两根平行的金属杆上。</li>
			<li>向两个旋转电磁铁施加电流，使颗粒进入自由下落（见Movie 3）。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>双翼翻板门释放机制（柱状样品，与颗粒加速机制联用）： 
该释放机制由两个弹簧加载的金属板组成，二者共同构成一个V形颗粒承载装置。两个金属板由一根金属杆固定，该金属杆连接至一个旋转电磁铁。
		<ol>
			<li>将柱状尘埃样品放置在闭合的翻板门上。</li>
			<li>通过向电磁铁施加电流解锁翻板门。为防止门板反弹，采用涡流制动器将其停止（见Movie 4）。 
			注意：必须确保颗粒在释放时无初速度且无旋转。为此目的，已开发了多种释放机制（2.1.1 – 2.1.4）。</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>颗粒加速机制： 
通过预加载弹簧或电磁驱动的直线运动平台对颗粒进行加速。两种加速器均可配备适用于不同形状颗粒的样品承载装置。</li>
	 
	<li>控制电子系统： 
设置定时器和释放电子装置至适当参数，以实现所需的碰撞速度，并使相机在质心参考系中运行。 
注意：颗粒释放、颗粒加速与相机触发的时序控制由一组电子定时器完成，其功能在Movie 5中说明。</li>
</ol>
3. 实验操作
<ol>
	<li>低速碰撞（小型落塔）：
	<ol>
		<li>将样品装入剪刀式双释放机构中，并关闭真空玻璃管。</li>
		<li>启动抽真空，并设置定时器参数。</li>
		<li>将相机连接至其磁性释放装置，开始连续拍摄记录。 
		注意：由于LED明场照明强度较高，可选择足够短的高速相机曝光时间，使曝光期间颗粒运动可忽略不计。此外，相机物镜的光圈值必须设置为足够高的数值，以使焦深覆盖整个落塔的直径范围。</li>
		<li>当达到所需真空度后，打开照明，按下启动按钮，并下载图像序列。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>高速碰撞（大型落塔）：
	<ol>
		<li>将样品装入双翼翻板式释放机构和加速装置中，并关闭真空玻璃管。</li>
		<li>启动抽真空，并设置定时器参数。</li>
		<li>开始连续相机记录。当达到所需真空度后，打开照明并按下启动按钮。下载图像序列。 
		注意：由于LED明场照明强度较高，可选择足够短的高速相机曝光时间，使曝光期间颗粒运动可忽略不计。此外，相机物镜的光圈值必须设置为足够高的数值，以使焦深覆盖整个落塔的直径范围。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
4. 示例实验
<ol>
	<li>小心地将样品装入相应的释放装置中。
	<ol>
		<li>低速碰撞（双释放装置；0.09 m/s）：5 cm 对 5 cm，发生反弹。 
		将样品分别装入两个剪刀式释放装置中。为达到 0.09 m/s 的碰撞速度，将颗粒间距设置为 7 mm，并将释放装置的时间延迟设为 9 ms。 
		注意：在此撞击速度下，尘埃样品在碰撞后会相互弹开。图像序列由自由下落的高速相机记录（参见 影片 6）。</li>
		 
		<li>高速碰撞（电磁加速器；7.4 m/s）：2 cm 对 2 cm，发生碎裂。 
		将一个样品装入双翼闸门式释放装置；另一个样品置于直线位移加速器的样品托上。 
		注意：为实现 7.4 m/s 的碰撞速度，下方尘埃团块以 2 g 的加速度平稳向上加速，同时上方尘埃团块自由下落。当相对速度达到 7.4 m/s 时，尘埃样品发生碎裂（参见 影片 7）。</li>
		 
		<li>小团块与大团块之间的高速碰撞：0.5 cm 对 5 cm，发生质量转移。 
		将较大的样品装入剪刀式释放装置；将较小的样品置于弹簧加速器的样品托上。 
		注意：为实现质量转移所需的速度，下方尘埃团块平稳向上加速，同时上方尘埃团块下落。在此相对速度下，较小的样品发生碎裂，并将少量物质转移至较大的样品上。由于相机随上方（质量较大）的颗粒一同下落，高速相机拍摄的图像呈现出大颗粒基本静止的假象（参见 影片 8），但从落塔外部观察可知，实际情况并非如此。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>关闭真空玻璃管。</li>
	<li>缓慢打开通往真空泵的真空阀，开始缓慢抽气，并根据所需碰撞速度设定计时器参数的时间差。</li>
	<li>将相机连接至其释放装置（若使用自由下落相机）。启动相机连续录制，并打开照明光源。</li>
	<li>当达到所需真空度时，按下释放按钮以启动计时序列。</li>
	<li>将高速相机记录的图像序列下载至计算机。</li>
</ol>
5. 数据分析
<ol>
	<li>选择一个合适的灰度阈值，介于背景与目标物的灰度值之间。根据该阈值创建二值图像：将灰度值高于阈值的像素设为白色（二值为1），灰度值低于阈值的像素设为黑色（二值为0）。</li>
	<li>确定每幅图像中颗粒质心的位置。对于对称颗粒，可通过投影面积的中心来较好地近似质心位置。该值由二值化图像计算得到。</li>
	<li>利用目标物质心的相对位置以及相机图像的时间信息，计算相对速度（见Movie 9）。位置曲线的斜率显示在Movie 9的右侧。
	<ol>
		<li>若为反弹碰撞，确定接触前和接触后的相对速度。计算恢复系数，即碰撞后速度与碰撞前速度的比值。绘制相对速度与恢复系数的关系图。该分析的一个示例如Figure 4所示。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Coefficient of restitution vs collision velocity; diagram; data analysis in particle collision study." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 4"> 
图4. 弹跳碰撞分析示例。 恢复系数， 即 回弹速度与撞击速度之比作为碰撞速度的函数作图。圆圈表示直径为2 cm的球形尘埃聚集体的数据13 （参见 图2），三角形表示直径和高度均为5 cm的圆柱形尘埃聚集体之间的碰撞（见 图2以及两种不同的体积填充因子，分别为0.3和0.412数据显示，随着冲击速度的增加，恢复系数呈下降趋势。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>若一个或两个颗粒发生碎裂，通过测量其各自投影面积并假设适当的形状，尽可能确定尽可能多的最大碎片的尺寸。
	<ol>
		<li>若仅一个颗粒发生碎裂，其通常会将一定质量转移至未碎裂的颗粒。通过测量所积累的体积，并假设适当的形状和孔隙率，以量化质量转移效率，从而确定转移质量的多少。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Blum, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Growth+Mechanisms+of+Macroscopic+Bodies+in+Protoplanetary+Disks%5BTitle%5D)+AND+%22Annual+Review+of+Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">The Growth Mechanisms of Macroscopic Bodies in Protoplanetary Disks.</a> Annual Review of Astronomy and Astrophysics. 46, 21-56 (2008).</li>
<li>Johansen, A., Blum, J., Tanaka, H., Ormel, C. W., Bizzarro, M., Rickman, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Multifaceted+Planetesimal+Formation+Process%5BTitle%5D)+AND+%22Protostars+%26+Planets+VI.+University+of+Arizona+Space+Science+Series%22%5BJournal%5D)">The Multifaceted Planetesimal Formation Process.</a> Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li>
<li>Blum, J., Zsom, A., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth%3A+pebbles%2C+boulders%2C+or+planetesimals%3F+I.+Mapping+the+zoo+of+laboratory+collision+experiments%5BTitle%5D)+AND+%22Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? I. Mapping the zoo of laboratory collision experiments.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li>
<li>Zsom, A., Ormel, C. W., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+outcome+of+protoplanetary+dust+growth%3A+pebbles%2C+boulders%2C+or+planetesimals%3F+II.+Introducing+the+bouncing+barrier%5BTitle%5D)+AND+%22Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">The outcome of protoplanetary dust growth: pebbles, boulders, or planetesimals? II. Introducing the bouncing barrier.</a> Astronomy and Astrophysics. 513, (2010).</li>
<li>Testi, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dust+Evolution+in+Protoplanetary+Disks%5BTitle%5D)+AND+%22Protostars+%26+Planets+VI.+University+of+Arizona+Space+Science+Series%22%5BJournal%5D)">Dust Evolution in Protoplanetary Disks.</a> Protostars & Planets VI. University of Arizona Space Science Series. , (2014).</li>
<li>Youdin, A. N., Goodman, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Streaming+Instabilities+in+Protoplanetary+Disks%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Streaming Instabilities in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 620, 459-469 (2005).</li>
<li>Johansen, A., Youdin, A. N., Klahr, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle+Clumping+and+Planetesimal+Formation+Depend+Strongly+on+Metallicity%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal+Letters%22%5BJournal%5D)">Particle Clumping and Planetesimal Formation Depend Strongly on Metallicity.</a> The Astrophysical Journal Letters. 704, (2009).</li>
<li>Bai, X. N., Stone, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+Solids+in+the+Midplane+of+Protoplanetary+Disks%3A+Implications+for+Planetesimal+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Dynamics of Solids in the Midplane of Protoplanetary Disks: Implications for Planetesimal Formation.</a> The Astrophysical Journal. 722, 1437-1459 (2010).</li>
<li>Windmark, F., Birnstiel, T., Güttler, C., Blum, J., Dullemond, C. P., Henning, T. h <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Planetesimal+formation+by+sweep-up%3A+How+the+bouncing+barrier+can+be+beneficial+to+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">Planetesimal formation by sweep-up: How the bouncing barrier can be beneficial to growth.</a> Astronomy and Astrophysics. 540, (2012).</li>
<li>Windmark, F., Birnstiel, T., Ormel, C. W., Dullemond, C. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Breaking+through%3A+The+effects+of+a+velocity+distribution+on+barriers+to+dust+growth%5BTitle%5D)+AND+%22Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">Breaking through: The effects of a velocity distribution on barriers to dust growth.</a> Astronomy and Astrophysics. , 544(2012).</li>
<li>Garaud, P., Meru, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((From+Dust+to+Planetesimals%3A+An+Improved+Model+for+Collisional+Growth+in+Protoplanetary+Disks%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">From Dust to Planetesimals: An Improved Model for Collisional Growth in Protoplanetary Disks.</a> The Astrophysical Journal. 764, 146 (2013).</li>
<li>Schräpler, R., Blum, J., Seizinger, A., Kley, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+physics+of+protoplanetesimal+dust+agglomerates.+VII.+The+low-velocity+collision+behavior+of+large+dust+agglomerates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">The physics of protoplanetesimal dust agglomerates. VII. The low-velocity collision behavior of large dust agglomerates.</a> The Astrophysical Journal. 758, 35 (2012).</li>
<li>Beitz, E., Güttler, C., Blum, J., Meisner, T., Teiser, J., Wurm, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-velocity+collisions+of+centimeter-sized+dust+aggregates%5BTitle%5D)+AND+%22The+Astrophysical+Journal%22%5BJournal%5D)">Low-velocity collisions of centimeter-sized dust aggregates.</a> The Astrophysical Journal. 736, 34 (2011).</li>
<li>Beitz, E., Blum, J., Mathieu, R., Pack, A., Hezel, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+investigation+of+the+nebular+formation+of+chondrule+rims+and+the+formation+of+chondrite+parent+bodies%5BTitle%5D)+AND+%22Geochimica+et+Cosmochimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Experimental investigation of the nebular formation of chondrule rims and the formation of chondrite parent bodies.</a> Geochimica et Cosmochimica Acta. 116, 41-51 (2013).</li>
<li>Jankowski, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Crossing+barriers+in+planetesimal+formation%3A+The+growth+of+mm-dust+aggregates+with+large+constituent+grains%5BTitle%5D)+AND+%22Astronomy+and+Astrophysics%22%5BJournal%5D)">Crossing barriers in planetesimal formation: The growth of mm-dust aggregates with large constituent grains.</a> Astronomy and Astrophysics. 542, (2012).</li>
<li>Gundlach, B., Kilias, S., Beitz, E., Blum, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micrometer-sized+ice+particles+for+planetary-science+experiments+-+I.+Preparation%2C+critical+rolling+friction+force%2C+and+specific+surface+energy%5BTitle%5D)+AND+%22Icarus%22%5BJournal%5D)">Micrometer-sized ice particles for planetary-science experiments - I. Preparation, critical rolling friction force, and specific surface energy.</a> Icarus. 214, 717-723 (2011).</li>
</ol>

我们无任何披露事项。

由于具有很高的机械精度，两座落塔的故障率极低。这一点至关重要，因为样品制备可能需要数小时，具体时间取决于目标尘埃聚集体的尺寸、形状和孔隙率。需要指出的是，大尺寸且孔隙率极高的尘埃聚集体极为脆弱，因此难以操作。在将这些尘埃聚集体从模具中取出或转移至落塔的过程中，可能发生断裂。一旦出现这种情况，就必须重新制备样品。因此，小型落塔能够实现低至0.01 m/s&#160;11,13的可靠（且可预测）碰撞速度显得尤为重要。迄今为止实现的最低撞击速度为0.004 m/s。如此低的撞击速度只有在微重力环境中自由运动的粒子才能达到。实验室落塔是一种低成本且多功能的微重力实验装置实现方式。
实现低撞击速度的替代方法采用悬浮技术14,15（例如&#160;通过电磁或气动悬浮），但通常会在碰撞颗粒之间引入作用力，这在碰撞分析中必须予以考虑。此外，悬浮常会诱发旋转运动14，如果不需要旋转，则无法实现无旋转的碰撞；但另一方面，这可能反而允许对旋转颗粒间的碰撞进行更真实的模拟。在气动悬浮的情况下，碰撞过程中可能出现的气垫效应会引发非预期的条件，与原行星盘中的实际情况不符。然而，悬浮技术可实现无限长的观测时间和可重复实验，因此若时间限制是关键因素，则必须将其视为落塔之外的一种替代方案。到目前为止，我们的所有研究工作均集中于 SiO2，作为年轻太阳系类地行星形成区域内硅酸盐的代表性物质。由于原行星盘中大部分质量集中在水冰凝结点以外的区域，因此研究由 µm 级 H2O-冰颗粒组成的团聚体的碰撞行为也至关重要。我们目前正在为此搭建一座低温真空落塔。需要注意的是，此类模拟实验中的温度必须低于约 150 K，即原行星盘中所谓“雪线”的温度（“雪线”将内部水以气相存在的区域与外部以固态水冰存在的区域分隔开来）。我们已证明，制备 µm 级水冰颗粒是可行的，并且能够形成其团聚体16，因此我们乐观预计在未来 1-2 年内将获得关于其碰撞行为的首批结果。

普遍认为，行星形成始于微观尺度的尘埃颗粒通过非引力作用聚集为更大的尘埃团聚体（参见 Blum 的综述） &amp;#38; Wurm)1尘埃颗粒在其原行星盘内由于布朗运动、相对漂移运动以及星云气体的湍流而发生碰撞（参见Johansen的综述）。 等)2如果碰撞速度足够低，尘埃颗粒会相互粘附，形成更大的团聚体。近年来大量的实验室测量结果建立了一个尘埃团聚体碰撞模型，可预测任意质量与碰撞速度的两个尘埃团聚体碰撞后的结果3基本的碰撞结果包括粘连（通常发生在小质量聚集体和低碰撞速度情况下）、反弹和碎裂（发生在高速撞击情况下）。然而，这些相态之间的转变并不 sharp，还存在其他结果，例如， 例如&#160;传质或侵蚀。将该模型应用于典型的原行星盘，可预测在数千年内形成厘米级的尘埃聚集体4厘米级尘埃团块的存在在过去几年中已通过天文观测得到广泛研究，目前可视为已确立的事实（参见 Testi 的综述） 等)5 因此，我们得出结论：年轻行星系统中首批宏观天体形成的主导机制已被确定。
然而，进一步生长为至少千米尺度天体的过程尚不明确。对于类地行星区域，目前有两种假说正在讨论中（也可参见Johansen近期关于此问题的综述） 等2 和 Testi 等5）：（i）通过以下方式使厘米级尘埃聚集体浓缩， 例如&#160;流不稳定性6 以及随后的引力坍缩7,8 以及（ii）少数“幸运赢家”的生长达到较大尺寸，随后通过质量转移过程实现质量积累9,10,11在这两种模型中，厘米级尘埃聚集体以低至中等速度发生大量相互碰撞。目前尚不清楚这些碰撞可能产生哪些结果（除了反弹之外）。
通过改进Güttler的尘埃-团块碰撞模型 等3 为更详细地研究在相关速度范围内宏观尘埃聚集体之间的碰撞，我们在实验室中搭建了两座落塔，可在真空和微重力条件下对单个聚集体之间的碰撞进行极为细致的观测。两座落塔的自由下落高度均为1.5 m，将观测时间限制在约0.5秒。因此，我们采用百万像素级高速摄像机，以最高每秒7,500帧的速度记录碰撞过程。为实现最佳对比度和高记录速度，采用明场照明方式。光源由高亮度LED面板提供，并通过漫射屏实现均匀化。因此，高速摄像机将碰撞中的尘埃聚集体记录为明亮背景前的暗色物体。为避免闪烁，LED采用直流电源供电。
为了实现低碰撞速度，两个尘埃团块通过双释放装置上下放置。在释放下方团块之前，提前时间 t 释放上方团块，可获得相对速度 v = g t，其中 g&#160;= 9.81 m/sec2 为地球重力加速度。两台高速摄像机从相互垂直的两个方向（相隔90°）观测碰撞过程，通常在两个尘埃团块释放之间的时间点启动摄像机（通常在上方颗粒释放后约 t/2 时刻）。摄像机以连续记录模式运行，当摄像机支架落入沙桶时记录终止。在此工作模式下，最大帧速率为每秒1,000帧，分辨率为百万像素级别。利用该装置，已实现低至0.01 m/sec以下的碰撞速度。由于双释放装置机械结构的限制，最大相对碰撞速度约为3 m/sec。在此落塔中，已研究了尺寸最大达5 cm的尘埃团块之间的碰撞。对于更高碰撞速度（最高约10 m/sec）的实验，则使用另一座落塔，其配备有电磁加速器，可将尘埃团块在垂直向上方向平滑加速至最高5 m/sec。另一个尘埃团块由双翼式翻板释放机构固定，可在任意指定时刻无旋转地释放进入自由下落。在此情况下，使用自由下落的摄像机并无意义，因此改用两台固定的高速摄像机，最高帧速率达每秒7,500帧，分辨率为百万像素级别。由于该落塔直径更大，可使用的尘埃团块尺寸可达10 cm甚至更大。

<table><tbody><tr><td>单分散 SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 颗粒</td><td>Micromod</td><td>43-00-153</td><td>颗粒直径 1.52 &amp;plusmn; 0.06 &amp;micro;m；颗粒形状为球形</td></tr><tr><td>多分散 SiO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; 颗粒</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>颗粒直径 0.1 &amp;ndash; 10 &amp;micro;m；颗粒形状不规则</td></tr></tbody></table>

用于早期太阳系尘埃聚集体碰撞实验模拟的实验室落塔

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

为了研究太阳系早期尘埃团块的演化过程，我们研制了两座真空落塔，可在其中使尺寸最大约10 cm、孔隙率高达70%的脆弱尘埃团块发生碰撞。其中一座落塔主要用于实现极低的碰撞速度（可低至0.01 m/sec以下），并采用双释放机构。碰撞过程由两台高速相机以立体成像方式记录，这些相机与两个尘埃团块的质心参考系一起，沿玻璃真空管自由下落。另一座自由落塔则采用一种电磁加速装置，能够轻柔地将尘埃团块加速至最高5 m/sec。通过与另一个自由下落的尘埃团块相配合，可实现最高约10 m/sec的碰撞速度。在此装置中，由两台固定的高速相机记录碰撞事件。在这两座落塔中，尘埃团块在碰撞期间均处于自由下落状态，因而处于失重环境，可模拟太阳系早期的物理条件。

利用本方案中描述的、特征明确的尘埃团聚体样品（见图1-3），在任一实验室落塔中观测到的碰撞都将为原行星盘中类似碰撞的结果提供具有科学价值的信息。迄今为止，我们已系统研究了直径为2 cm的球形尘埃团聚体（体积填充因子为0.5）在0.008至2.02 m/s速度范围内的碰撞结果13，以及直径为5 cm的圆柱形尘埃团聚体（体积填充因子介于0.3至0.5之间）在0.004至2 m/s速度范围内的碰撞结果12。我们发现，对于这两类尘埃团聚体，在碰撞速度低于约0.4 m/s时，团聚体之间的反弹是主要的碰撞结果（示例见视频6）。图4展示了这些反弹碰撞的恢复系数。圆圈表示直径为2 cm的球形样品的实验结果13，三角形表示直径为5 cm、具有两种不同堆积密度的尘埃圆柱体之间碰撞的结果12。尽管单次实验的恢复系数存在较大离散性，但恢复系数的平均值随碰撞速度的增加而降低。
当碰撞速度超过约 1 m/sec 时，两个尘埃团块通常都会发生碎裂（见视频 7示例）。在速度介于约 0.4 至约 1 m/sec 之间时，可能发生仅其中一个尘埃团块碎裂的情况。此时，未碎裂的尘埃团块会通过质量转移获得百分之几的额外质量13。上述速度界限并不严格，仅大致表示不同碰撞行为区间之间的分界位置2,11。对于不同尺寸尘埃团块之间的碰撞，在中等速度条件下，通常不会导致两个团块中较大者发生碎裂；相反，较大的团块会通过吸收较小撞击体的部分质量而增加自身质量（见视频 8）。
对于两个尘埃聚集体相互弹开的情况，碰撞前的平动动能（注意：碰撞前尘埃聚集体不发生旋转）向碰撞后的平动动能、转动动能以及其他（耗散性）能量通道的转化例如&#160;可以确定尘埃聚集体的压缩程度。我们发现，在正中碰撞（其中转动动能可忽略不计）情况下，耗散能量的相对比例随速度增加而显著升高，且在尘埃聚集体体积填充因子较低时更高。12该行为可通过分子动力学模拟进行建模。12.
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4" target="_blank">视频 1</a>. 高速摄像（慢放）显示粒子-细线装置（上图）和活板门释放机制（下图）。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">视频 2</a>. 双重陷阱门释放机制的高速摄像（以慢动作回放）。两个样品均为直径 2 mm 的 Al2O3 颗粒团，在自由下落过程中由于释放时扰动极小而保持聚集状态。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">视频 3</a>. 剪刀式双释放机制的高速摄影视频（以慢动作回放）。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">视频 4</a>. 双翼活门释放机构的高速摄像（以慢动作回放）。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">视频 5</a>. 计时电子装置触发上、下释放机构以及相机释放装置进入自由落体状态的动画演示。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">视频 6</a>. 两个5厘米大小的尘埃聚集体圆柱体之间发生弹跳碰撞的高速摄像（慢放播放）。两个尘埃聚集体由剪刀式双释放机构释放，并以0.09 m/s的速度发生碰撞。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">视频 7</a>. 高速摄像（慢放播放）记录两个直径约2 cm的圆柱形尘埃聚集体以7.4 m/sec的相对速度碰撞的过程。两个聚集体均完全碎裂。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">视频 8</a>. 一段高速摄影视频（以慢动作回放），显示一个直径5 mm的尘埃聚集体撞击一个直径5 cm的圆柱形固体靶。由于4.3 m/sec的撞击速度超过了小尘埃聚集体的破碎阈值，该聚集体发生碎裂，并将部分质量转移至靶体，这一过程在视频中清晰可见。
<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">视频 9</a>. 通过半自动颗粒追踪算法确定颗粒的运动轨迹。此处展示了两个直径为 2 cm 的球形尘埃聚集体之间的碰撞过程。

我们介绍一种在实验室中实现脆弱尘埃聚集体之间低速至中速碰撞的技术。为此，已开发出两种真空落塔装置，可实现 &#60;0.01 至约 10 m/sec 之间的碰撞速度。碰撞事件通过高速成像进行记录。

为了研究早期太阳系中尘埃团簇的演化，我们研制了两座真空落塔，用于研究脆弱尘埃……

本实验的总体目标是模拟早期太阳系中尘埃团块之间的碰撞，以理解行星形成的初始阶段。该目标通过以下步骤实现：首先制备两个多孔的尘埃团块，用以代表年轻太阳系中的尘埃颗粒；第二步是将这两个尘埃团块置入实验室的落塔装置之一，该装置经过调节，可在微重力条件下促使两个尘埃团块发生碰撞。接下来，进行实验，高速摄像机记录两个尘埃团块之间的碰撞过程。最后一步是分析高速记录的碰撞过程，重点关注能量损失、质量转移以及尘埃团块的碎裂情况。最终，这些结果将用于建立早期太阳系中尘埃团块碰撞的物理模型，这对于行星形成初期阶段的模拟至关重要。该方法有助于解答行星形成领域中的关键问题，例如行星原始物质碰撞的结果。我们最初构想这一方法时，正在寻找一种能够在脆弱尘埃聚集体之间进行大量极低速碰撞的手段。与现有的商业微重力设施等方法相比，该技术的主要优势在于实验可在实验室中更频繁地开展，且成本效益更高。该方法的可视化演示至关重要，因为样品制备步骤难以掌握，制备的样品非常脆弱。首先，使用以下公式计算所需形状对应的材料用量。将足量材料通过 0.5 毫米筛网 C 过筛，并将计算出的质量填入模具中。然后用手推动活塞，压缩模具内的材料，直至样品高度达到五厘米。最后，将模具倒置，打开底板，用活塞轻轻将样品推出。对于球形上部颗粒样品，使用悬挂于细线上的颗粒释放装置。为设置此类释放方式，需将待释放的颗粒固定于细线上。在使用带细线通道的活塞进行样品压缩时，完成颗粒与细线的连接。将弦线夹在电磁铁与球形下部颗粒样品的金属对位块之间以固定其位置。使用闸门释放装置。首先将颗粒放入半球形模具中。在适当的时间，对上方释放机构的螺线管磁体施加电流。当研究更复杂的排列方式（例如球体簇）时，可将两个翻板门释放机构上下安装，并通过旋转螺线管通电使翻板门向下旋转。两个翻板门机构装载完毕后，按预定时间对圆柱形样品施加电流以释放样品。将剪刀式双释放机构安装到位，然后轻轻地将圆柱形样品放置在释放板上。与之前相同，向电磁铁施加电流以释放样品。如果需要对样品进行加速而非简单的自由下落，则应使用颗粒加速装置，例如电磁驱动的线性平台。在对圆柱形样品进行测试并结合颗粒加速时，应采用双翼式活门释放机构。将圆柱形粉尘样品放置在闭合的活门上。然后通过向电磁铁施加电流来解锁活门。注意涡流制动器如何防止活门反弹回样品中，从而实现低速碰撞。速度为 0.09 米每秒。将一个一厘米的颗粒放入绳挂颗粒装置中，另一个一厘米的颗粒放入相距七毫米的闸门释放装置中。然后关闭真空玻璃管。小心打开通向真空泵的阀门，开始缓慢抽除管内的空气。接下来，将释放机构的时间延迟设置为9毫秒。这意味着首先释放上方的尘埃聚集体，9毫秒后再释放下方的颗粒，摄像机将在两者之间释放。随后，将摄像机连接到各自的释放装置上，并打开照明。然后开始连续录制。当达到优于1毫巴的所需真空度后，按下释放按钮以启动计时序列。实验完成后，将高速相机记录的图像序列下载至计算机。准备两个直径和高度均为5厘米的圆柱形样品用于高速碰撞实验：首先将一个样品装入双翼闸门释放装置，另一个样品装入直线位移台加速器的样品 holder。样品就位后，通过密封玻璃管并打开真空阀抽除管内空气，按此前步骤准备腔室。然后根据所需条件设置释放机构和直线加速器的时序。接着，打开适当的照明光源，并启动高速相机进行记录。当达到优于0.01毫巴的所需真空度后，按下释放按钮，以触发碰撞过程。像之前一样下载摄像头记录的不同尺寸聚集体的图像序列。将较大的样品装载到释放装置上，然后将较小的样品放置在加速器的样品 holder 上。这些单分散球形和多分散不规则二氧化硅颗粒的电子显微镜图像展示了在实验室落塔实验中所用样品的物理特性。尘埃聚集体可制成多种样品尺寸和形状，包括直径为1厘米、2厘米和5厘米的尘埃圆柱体，以及直径为1厘米和2厘米的尘埃球体。此外，还可使用X射线断层扫描重建圆柱形尘埃聚集体样品的内部结构，以分析由直径为2至3毫米的发光球体组成的团簇。可以明显看出，这种高孔隙度样品是由毫米级颗粒与尘埃聚集体组装而成的。灰度表示体积填充因子，即样品质量密度与单体尘埃颗粒材料密度的比值。通过追踪颗粒位置随时间的变化，分析了尘埃颗粒弹跳碰撞速度，从而获得碰撞前后的速度。这两个速度的比值称为恢复系数，用于描述碰撞过程中的能量损失。所分析的恢复系数随碰撞速度的变化关系已被绘制成图。球形尘埃、团聚体以及柱状尘埃团聚体之间的碰撞数据显示，随着撞击速度的增加，恢复系数呈现下降趋势。一旦掌握，若操作得当，该技术可在一小时内完成。由于微米级颗粒可能具有极高的危险性，因此在实验过程中必须始终采取预防措施，例如佩戴防护口罩、手套，并使用此类通风橱。

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实验室落塔的粉尘聚集在碰撞早期太阳系的实验模拟

本文所述的高温高压实验模拟了行星内部的分异过程。通过高分辨率三维成像和定量化学分析，这些过程得以可视化并被更深入理解。...

实验室中行星内部分化过程的模拟

恢复系数是一个用于描述碰撞过程中动能损失的参数。本文中，在真空条件下建立了一种自由落体实验装置，可用于测定微米级颗粒在高撞击速度下的恢复系数参数。...

开发用于真空条件下测量恢复系数的实验装置

本文介绍了一种实验方案，用于研究产品在摩擦和环境风化作用下颗粒物的气溶胶化过程。文中展示了以气溶胶形式释放的工程纳米材料的排放结果，并详细描述了特定的实验装置。...

研究产品在磨损和环境风化条件下颗粒气溶胶化的实验方案

我们设计并开发了一种高效的纳米粉末气溶胶化装置及操作方案。该系统能够长时间生成具有稳定粒子数量浓度和粒径分布的纳米颗粒气溶胶，且仅需少量测试材料（最少200...

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通过三个实验展示了在热等离子体加束流电子、仅有束流电子或仅有紫外（UV）辐射条件下的尘埃带电与迁移现象。这些实验揭示了静电尘埃输运的最新认识及其在塑造无大气行星体表面过程中的作用。...

暴露于紫外辐射或等离子体条件下表面尘埃带电与迁移的实验方法

我们报道了在与同步辐射X射线联用的多面砧变形装置中对岩石和矿物集合体进行压缩实验的详细步骤。此类实验能够量化样品内部的应力分布，从而为地质材料中的压实过程提供深入认识。...

利用基于同步辐射的X射线衍射研究岩石与矿物聚集体在冷压缩过程中的应力分布

最近，在微重力环境下，利用功能化的半导体-电催化剂系统在不来梅落塔的落舱内实现了高效的光电化学半电池产氢。本文报道了半导体-电催化剂器件的制备实验步骤、落舱内实验装置的详细信息以及自由下落过程中的实验流程。...

微重力环境下高效太阳能制氢的实验方法

本方案展示了自由下落球体入水实验的基本实验装置。讨论了使用可穿透织物改变液体表面的方法、化学不浸润球体的制备方法，以及飞溅现象可视化和数据提取的步骤。...

改变流体与撞击物表面条件的自由下落球体对深液池的撞击影响

本文介绍了密集排列颗粒的离散随机介质中光的多重散射的数值与实验方法。这些方法被用于解释灶神星（4号小行星）和楚留莫夫－格拉希门克彗星（67P）的观测结果。...

行星风化层中光的散射与吸收

本实验方案的目标是通过化学花园注入实验形成模拟的海底热液烟囱，并利用可3D打印的冷凝器在无机沉淀膜上引入热梯度，该冷凝器可重复制作，适用于教学目的。...

在热梯度环境中模拟早期地球热液烟囱

了解实验室落塔模拟早期太阳系尘埃聚集碰撞的方法，利用真空微重力环境和高速成像技术研究行星形成初期的能量损失与碎裂过程。该技术为行星形成物理模型提供关键实验数据。

用于早期太阳系尘埃聚集体碰撞实验模拟的实验室落塔

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