用于早期太阳系尘埃聚集体碰撞实验模拟的实验室落塔

本实验的总体目标是模拟太阳系早期尘埃团块之间的碰撞，以理解行星形成的最初阶段。首先制备两个多孔尘埃团块，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放入实验室的落塔装置中，该装置已调节至可在微重力条件下引发尘埃团块之间的碰撞。

接下来，进行实验并利用高速相机记录两个尘埃聚集体之间的碰撞过程。最后一步是分析高速记录中碰撞过程的能量损失、质量转移以及尘埃聚集体的碎裂情况。最终，这些结果将用于建立年轻太阳系中尘埃聚集体碰撞的物理模型，这对于行星形成初期阶段的模拟至关重要。

该方法有助于回答行星形成领域中的一些关键问题，例如行星构建块之间碰撞的结果。我们最初萌生这一方法的想法，是源于寻找一种能够在脆弱的尘埃聚集体之间实现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进行，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。取足量材料过 0.5 毫米筛网 C，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在细线上。在利用带有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用于球形下部颗粒样品的实心金属对置件之间以固定其位置。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，此后对上部释放机构的电磁螺线管施加电流。当检查更复杂的排列（例如球体簇）时，使用旋转螺线管通电以使活门向下旋转，并将两个活门释放机构上下安装。当两个活门机构均装载完毕后，按正确的时间对柱状样品施加电流以释放样品。

安装剪刀式双释放机构，并将圆柱形样品轻轻放置在释放板上。与之前相同，向电磁铁施加电流以释放样品。

如果需要使样品加速下落而非仅自由下落，请使用颗粒加速装置，例如电磁驱动的直线运动平台。当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装置。将圆柱形粉尘样品放置在关闭的活门上。

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系颗粒装置中，另一个一厘米的颗粒放入相距七毫米的翻板门释放装置中。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，相机将在两者之间释放。随后，将相机连接到各自的释放装置，并打开照明。然后开始连续录制。

当达到优于1毫巴的所需真空度时，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到计算机中。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运动平台加速器的样品 holder 中。样品就位后，通过密封玻璃管并打开真空阀以抽出管内空气，按此前步骤准备腔室。

然后根据所需的条件设置释放机构和直线加速器的时序。接下来，打开适当的照明，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，以在完成后触发碰撞。

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。将大样品装载到释放装置上，然后将小样品放置在加速器的样品支架上。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，还可利用X射线断层扫描重建圆柱形尘埃聚集体样品内部结构，使用由2至3毫米大小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大小的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。通过随时间追踪颗粒位置，分析颗粒碰撞前后的速度，从而确定反弹碰撞速度。这些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，恢复系数呈下降趋势。一旦掌握该技术，若操作得当，可在一小时内完成实验。由于微米级颗粒具有极高的危险性，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。