摘要：尘埃等离子体是一种含有尘埃颗粒的等离子体。在等离子体中的尘埃颗粒与电子或离子碰撞带上电荷，从而受电磁场的影响。尘埃等离子体是一个非常复杂的系统，因此也被称为“复杂等离子体”。在尘埃等离子体中，由于尘埃颗粒受到等离子体以及电磁力的作用，显著地改变了等离子体的许多

尘埃等离子体是一种含有尘埃颗粒的等离子体。在等离子体中的尘埃颗粒与电子或离子碰撞带上电荷，从而受电磁场的影响。尘埃等离子体是一个非常复杂的系统，因此也被称为“复杂等离子体”。在尘埃等离子体中，由于尘埃颗粒受到等离子体以及电磁力的作用，显著地改变了等离子体的许多性质，从而产生很多新的物理过程和现象，如孤立波、尘埃激波、尘埃空洞等。尘埃等离子体在空间物理、等离子体工业技术和材料科学等领域有重要应用，已经发展成为活跃的研究领域。研究尘埃等离子体的基本性质，进一步深入、精确地研究电磁波在其中的传输和散射特性具有重要意义。

尘埃等离子体

尘埃等离子体在自然界中是无处不在的。有很多众所周知的空间现象，如星际云、行星环、太阳系等证实了带电尘埃颗粒的存在。尘埃等离子体概念的形成与空间物理的发展密切相关。1928年，美国科学家朗缪尔（Langmuir）等引入了“plasma”一词来描述放电管中远离边界的内部区域，给出了等离子体的明确定义：等离子体是包含大量非束缚态带电粒子的物质状态。

土星环辐条状物质照片

20世纪80年代初期，旅行者2号宇宙飞船到达土星时向地球传回的土星环辐条状物质照片如图所示。经过进一步分析，这些辐条状物质由精细微粒组成，而且在做快速的运动，每次运动的时间非常短，受到各种碰撞而停止运动，同时还受到电磁力的影响，可以推测出精细颗粒是带电的。最后归结于小流星与土星环一系列碰撞产生的等离子体使颗粒带电。这是早期对于空间尘埃等离子体的探索，唤起了空间尘埃等离子体研究者浓厚兴趣

在宇宙空间中，物质大多以等离子体状态存在，加之天体演化产生的各种颗粒和物质碎片形成尘埃，因而在大多数情况下，等离子体与尘埃颗粒是共存的，这些颗粒大小是微米量级，它们被周围的等离子体环境充电而带上负电荷或者正电荷。因此，在空间中很容易形成等离子体与尘埃共存的状态——尘埃等离子体。空间物理中尘埃等离子体所独有的现象就是尘埃空洞，尘埃空洞经常出现在重力以及微重力条件下，它的尺寸为厘米量级，有锐边界结构。在军事应用和工业应用的等离子体中，也经常会有杂质微粒的混入，例如火箭和飞行器的尾焰、热核火球以及微电子、半导体等器件制造中的等离子体加工（如计算机里的芯片）引入的杂质。

飞行器在大气层高速飞行时会产生严重的气动加热现象，导致周围的空气分子电离，形成由正离子、电子和中性粒子组成的多粒子体系，称为等离子体鞘套。同时，高温气体也会使飞行器表面的防热材料发生烧蚀，烧蚀颗粒悬浮在等离子体鞘套中，继而形成尘埃等离子体环境。尘埃等离子体鞘套会使入射的电磁波产生反射、折射及散射，同时吸收电磁波能量，使地面站与飞行器之间的通信受扰，这是发生通信“黑障”现象的主要原因之一。通信“黑障”给飞行器的跟踪定位等带来影响，严重时甚至危害飞行员的生命安全。因此，解决通信“黑障”问题一直是航天测控的发展方向之一，也是目前的一项国际难题。国内外学者对于通信“黑障”的产生机理进行了大量的研究并提出了许多应对方法，但仍没有彻底解决这个问题。因此，研究等离子体鞘套中的烧蚀颗粒对电磁波传输的影响，在飞行器空间通信以及近地空间目标探测等领域有广阔的应用前景。

飞行器返回舱进入大气层形成的等离子体鞘套

位于距离地面80～90km的夏季极区中层顶是地球物理现象非常复杂的区域，这些复杂的地球物理现象与这一区域独特的热力学和动力学结构有很大的关系。其中除了存在可以明显影响到无线电波传播的自由电子、离子及中性粒子外，还存在带电尘埃颗粒。

由于极区中层顶区域内夏天的平均温度要比冬天低很多，在这种极低的温度下，水分子凝结成冰晶颗粒，被电离层的等离子体环境充电而带上电荷，从而形成尘埃等离子体。这些带电尘埃颗粒的存在，使得这个区域产生很多特殊的现象，如夜光云、极区中层云、极区中层夏季回波以及 50MHz～1.3GHz 的强雷达回波现象。目前，通过火箭探测器已探测到中层区域内带电尘埃颗粒的存在，证实该区域有带负电和带正电的尘埃颗粒。正是这些带电颗粒导致了空间内的电子密度不均匀分布，从而引起大气折射率的起伏变化。当雷达波入射到折射率起伏的区域就会发生散射和反射，形成极区中层夏季回波（polar mesosphere summer echoes, PMSE）现象。因此，以尘埃等离子体为背景，研究电磁波的传输特性为探索全球大气环境长期变化以及地球大气不同高度区域间耦合奠定了基础，在尘埃等离子体理论以及空间物理相关的基础研究中具有重要的科学意义，对极区空间环境的监测预报、空间信息技术的发展具有重要的应用价值。

夜光云现象

伴随PMSE现象出现的还有夜光云，如图所示的就是在夏季极区傍晚天空出现的夜光云。这一系列现象的出现很可能是因为极区上空形成了尘埃等离子体区域，当电磁波与尘埃等离子体相互作用时，产生了特殊的发光效果

尘埃颗粒对火箭尾焰等离子体的电磁特性也有很大的影响，火箭尾焰除了一些自由电子、离子和中性粒子外，还有推进剂燃料产物和杂质，这些杂质颗粒在与周围电子和离子的碰撞过程中会带电，从而形成尘埃等离子体环境。而当雷达信号或电磁波信号通过火箭尾焰时，其中的带电粒子受迫振荡，消耗了传输信号的能量，对信号造成不同程度的干扰和破坏，导致信号失真、衰减以及中断现象产生，从而影响测控数据的判读，对飞行器测控带来不利的影响。关于火箭尾焰中电磁波传输衰减问题的研究，国内外有大量科研人员在做这方面的工作，这在航空航天以及军事上都具有重要意义。

火箭喷焰形成尘埃等离子体

尘埃等离子体对工业生产和气体放电也有着重要的影响。在微电子工业加工中，例如半导体基片刻蚀、溅射以及薄膜沉积等，尘埃颗粒会不可避免地从加工材料、放电室器壁、极板中产生，这些尘埃颗粒一些是放电室中的反应性气体聚合而成的，一些是等离子体中的高能电子或离子溅射器壁而生成的，也有一些是人工产生的。生成的尘埃颗粒会吸附等离子体中的电子和离子而使自身带电，从而对刻蚀和沉积过程造成污染，影响半导体集成电路加工的质量。近几年，为了发展新一代高密度电路集成、薄膜沉积等一系列等离子体加工技术，迫切需要解决尘埃颗粒对产品质量造成影响这一关键问题，这才使人们认识到研究等离子体加工过程中尘埃颗粒形成的机理和行为以及开展实验研究的重要性。因此，研究尘埃等离子体将为等离子体加工过程中有效控制尘埃颗粒的运动提供指导，在提高产品质量和经济效益方面具有深远的意义。

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《尘埃等离子体物理》

周忠祥, 袁承勋, 王莹著

北京 : 科学出版社, 2025. 3

ISBN 978-7-03-081009-0

《尘埃等离子体物理》以尘埃等离子体为研究对象，详细介绍尘埃等离子体物理基本概念、产生方式、诊断方法以及描述尘埃颗粒与等离子体相互作用的流体模型、动理论模型、输运模型，并对实验室直流辉光放电尘埃等离子体、火箭喷焰尘埃等离子体、极区中层顶尘埃等离子体等典型尘埃等离子体进行系统的分析和讨论。本书内容紧扣尘埃等离子体的研究前沿，体系完整、保证科学性的同时又有一定的前瞻性，作者希冀本书的出版能够为国内尘埃等离子体领域的发展提供帮助。

作者简介

周忠祥，理学博士，哈尔滨工业大学教授，博士生导师。主要研究方向低温等离子体物理、等离子体中电磁波传输特性及应用等。

现任“电波环境特性与模化技术国防重点实验室”第五届学术委员会委员，航天科技集团公司红外探测技术研发中心学术委员会委员，中国电子学会电波传播分会委员会委员，中国兵工学会伪装隐身专业委员会委员。“十二五”期间任“863”主题专家组专家，入选中科院“百人计划”，获第四届黑龙江省青年科技奖1项、黑龙江省自然科学二等奖2项。作为项目负责人先后承担了国家自然科学基金、黑龙江省杰出青年基金、航天创新基金、国家重点科研计划、“863”项目等多项。发表SCI收录论文400余篇，总被引用5000余次，在高等教育出版社、科学出版社出版专著、教材3部。

袁承勋，哈尔滨工业大学物理学院教授，博士生导师。主要研究方向为：等离子体物理及应用技术。近年来，在相关技术领域取得了一系列突破性研究成果。主持国家重点研发计划项目课题、国家自然科学基金面上项目、黑龙江省重点研发计划项目等国家及省部级项目20余项；发表学术论文200余篇，其中SCI检索论文170余篇；出版英文专著1部；申请国家发明专利20余项，授权10余项。担任电子学会电波传播委员会委员、中国仿真学会环境建模仿真专业委员会委员，国际权威SCI检索期刊Physica Scripta编委等职务。

王莹，哈尔滨工业大学物理学院副教授，博士生导师。主要从事等离子体物理基础理论与数值模拟研究，关注尘埃等离子体电磁特性，擅长理论模型建立及数值模拟。已发表SCI论文30余篇，论文发表于等离子体物理类专业杂志Plasma Source Science and Technology, Physics of Plasma, IEEE Transactions on Plasma Science，承担并参与国家自然科学基金项目、国防科技创新特区项目、重点研发计划项目等10余项。

本文摘编自《尘埃等离子体物理》（周忠祥, 袁承勋, 王莹著. 北京 : 科学出版社, 2025. 3）一书“第1章 尘埃等离子体基本概念”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

ISBN 978-7-03-081009-0

责任编辑：杨慎欣 狄源硕

尘埃等离子体是一种含有尘埃颗粒的复杂等离子体系统。带电尘埃颗粒受到等离子体以及电磁力的作用，会显著地改变等离子体的许多性质并产生很多新的物理过程和现象。尘埃等离子体在空间物理、电波传播、半导体芯片加工等领域有着重要的影响。本书全面介绍尘埃等离子体的基础知识和研究前沿进展，详细介绍其基本概念、产生方式及诊断方法，分析尘埃颗粒与等离子体相互作用动力学过程，建立尘埃等离子体的流体模型、动理论模型、输运模型及其对电磁波的吸收模型，分析直流辉光放电尘埃等离子体、极区中层顶尘埃等离子体的重要特征及性质。

本书可供等离子体物理、空间物理领域的相关科研人员、工程技术人员及高年级本科生、研究生参阅。

（本文编辑：刘四旦）

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来源：科学出版社一点号