电子回旋共振离子推力器(ECRIT)利用微波能量击穿气体形成电子回旋共振(ECR)等离子体，其中的离子在加速栅极的作用下被高速引出产生推力，引出的离子束流再被电子中和。ECRIT主要由ECR离子源、ECR中和器、微波源以及推进剂供应子系统组成，其中关键部件有离子源和中和器^[1]。

ECRIT采用了无阴极放电方案，因而它具有比冲高、无电极烧蚀、寿命长^[2]、系统结构简单的特点^[3]，非常适用于长时间工作的空间飞行器。国外2003年把10 cm ECRIT应用到了返回式深空探测器上，2010年 6 月 探测器成功返回地面^[3]。长达 7 年的空间飞行历程证明ECRIT是目前寿命最长的等离子体推力器。在国内，针对10 cm ECRIT的ECR离子源开展了深入研究，以氩气为工质，成功地从离子源中引出110 mA的离子束流。

针对国内研究的ECR离子源，文献[3, 4]开展了ECR中和器理论研究。本文针对L形天线、条形磁体结构ECR中和器实验模型，开展气体放电和电子束流引出实验，研究磁路和微波耦合天线结构、电子引出孔和前磁极靴孔大小、电子束引出电压以及工作参数等对气体放电特性和引出束流大小的影响，从而为ECR中和器结构优化和最佳工作参数选择提供了重要信息，同时为开展ECR离子源离子束流的中和实验奠定基础。

如图1所示，ECR中和器由L型天线、若干块钐钴永磁体条、前后磁轭(软磁合金)、气管、不锈钢衬组成。其工作过程为微波以TEM模通过L型天线输入中和器内，气体输入后，在微波能和磁场作用下，少量初始电子以频率做回旋运动。电子回旋频率与微波频率相等时，电子与微波共振。此时，电子最大限度耦合微波能量使气体放电，从而产生ECR等离子体，其中的电子在电位差作用下被引出。本文中和器利用4.2 GHz微波能，计算出电子回旋频率与微波频率相等时的磁感应强度应为0.15 T，满足此条件的面被称为ECR面。

图 1 ECR中和器结构简图

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衡量ECR中和器性能的参数主要有推进剂利用效率

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和电子产生损耗

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如图2所示，ECR中和器放电实验系统主要由ECR中和器、微波源、三螺调配器、隔直器、功率计、气体供应子系统、电子束流收集板、二维坐标架、可调电源、真空舱和真空泵机组组成。其中微波源提供4.2 GHz、5~20 W的微波功率输出，隔直器隔断中和器和微波源之间的直流电压，从而保护微波源。气体供应子系统为中和器输出0~10 mL·min^-1流量范围的氩气。实验过程中，二维坐标架在计算机的控制下可以沿X和Y方向连续移动，从而控制电子束流收集板和中和器之间的距离s。

图 2 ECR中和器束流引出实验装置

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实验在工作真空度为1.5×10^-3 Pa(2 mL·min^-1氩气流量)的真空舱内进行，在不同的工作参数条件下实验研究以氩气为工质的中和器结构对气体放电特性、引出电子束流和中和器性能的影响。中和器结构依靠钐钴永磁体条数量n、L型耦合天线和后磁极靴以及内腔表面之间的距离a和b、电子引出小孔直径d和前磁极靴孔径φ的变化进行调整。图3给出分别用n₁、n₂、n₃、n₄块磁块构成的中和器内磁感应强度的分布规律。其中图3a)n₁磁块磁路结构由于磁场强度太弱，没有达到0.15 T，所以没有ECR面，图3b)~图3d)中都有ECR面，其中3b)图的L型天线尖端恰好与ECR面重合，所以更容易激发产生等离子体。

图 3 不同磁路结构中和器内磁感应强度

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实验采用的天线结构有8种，由此形成的间隙距离a和b如表1所示。如图1所示，实验采用的电子引出小孔直径d选取分别d₁>d₂>d₃>d₄，前磁极靴孔径φ分别选取φ₁和φ₂。

开展气体放电实验时，选择d₂电子引出孔直径、前磁极靴孔径φ₁和4号天线，在2 mL·min^-1氩气流量和不同条形磁块数目磁路结构下进行实验，发现n₁块磁体的中和器内气体始终无法放电；n₂磁块时放电最容易，在微波功率为6 W时气体瞬间放电；n₃和n₄磁块放电大致相同，但是都比n₂磁块难，即在微波功率9 W时、中和器预热3 min后气体才能放电。

开展电子束流引出实验时，分别采用n₂、n₃、n₄磁块磁路结构，固定中和器和电子束流收集板之间的距离s为5 mm，将微波功率加至11 W，在其他条件和气体放电相同的情况下，中和器内气体正常放电。随后固定可调电源输出电压为400 V并调节气体流量，观察电子束流的引出情况。再固定气体流量为2 mL·min^-1，改变可调电源输出电压，观察引出电子束流随可调电源电压以及中和器和电子束流收集板之间偏压的变化情况。根据实验结果及公式(1)、(2)可以计算出推进剂利用效率和电子产生损耗随流量和偏压的变化规律。这些实验和计算结果如图4所示，图示给出不同磁路结构条件下引出电流、推进剂利用效率、电子产生损耗随气体流量和偏压的变化规律。图4a)、图4c)、图4e)为400 V可调电源电压不变时，引出电流、推进剂利用效率和电子产生损耗随流量的变化，由此可知，引出电子束流在比较低的流量条件下都随气体流量的增大而增大；当流量超出临界值Q_vcr时，引出电子束流趋于饱和，而且磁路结构对饱和电子束流的影响不大；在3种磁路结构中，n₂磁块磁路结构的Q_vcr最低，为0.58 mL·min^-1，此时推挤剂利用效率为1.76，电子产生损耗最低为201 W·A^-1。图4b)、图4d)、图4f)为2 mL·min^-1气体流量不变时，引出电流、推进剂利用效率和电子产生损耗随偏压的变化，由此可知，引出束流和推进剂利用效率的变化规律相同，随着偏压的增大都会逐渐增大。但在n₃磁块结构时，引出电流在100~110 V偏压范围内会出现突变，导致推进剂利用效率和电子产生损耗也发生突变。n₂磁块结构条件下，引出电子束流受偏压的影响比较显著，而且引出电子需要的电压远低于其它结构磁路，在64 V偏压下就能引出112 mA的电子电流。

图 4 引出电流、推进剂利用效率、电子产生损耗变化规律 ·３９７

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图4还表明n₃和n₂磁块结构磁路条件下，临界气体流量附近的推进剂利用效率都大于1，这是由原子高价电离引起的。另外比较高的引出电流、比较低的临界气体流量和引出电压意味着比较高的推进剂利用效率和比较低的电子产生损耗，也标示了最佳的中和器性能。 综上所述，n₂磁块是ECR中和器最好的磁路结构。

采用n₂磁块最佳磁路结构、电子引出孔直径d₂、前磁极靴孔径φ₁、气体流量2 mL·min^-1、微波输出功率11 W条件下，分别选用表1中1~8号天线进行气体放电，结果发现只有8号天线不能使气体正常放电。再调节微波功率至21 W气体仍不能放电，所以8号天线被认为是不可用天线。调节中和器和电子收集板的距离s为5 mm，固定其他参数不变，开启可调电源，采用1~7号天线研究天线结构对气体放电和引出电子束流特性的影响，确定不同天线结构下气体流量和偏压大小对引出电流的影响，所得实验结果如图5所示。

图 5 不同天线结构引出电流随流量及偏压的变化规律

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根据不同磁路结构实验情况，此处不再计算推进剂利用效率和电子产生损耗。图5表明，固定可调电源输出电压为400 V时，在不同的流量条件下，1~7号天线都能正常引出电子电流，而且流量对引出电流的影响规律基本一致；气体流量增大，引出电流增大；当流量超出Q_vcr时，引出电流趋于饱和；4号天线引出的电流最大，而且Q_vcr最低，是最佳的天线结构。固定气体流量为2 mL·min^-1，在不同的偏压条件下，只有3~5、7号天线能够正常引出电子电流，而且偏压对引出电流的影响规律基本一致；在比较低的偏压64 V条件下，4号天线引出的电子束流最高为112 mA。

综合所述4号天线是最佳的中和器天线结构。

采用n₂磁块最佳磁路结构、4号最佳结构天线，在氩气流量2 mL·min^-1、微波功率11 W条件下，分别利用d₁、d₂、d₃、d₄电子引出孔径开展实验，发现中和器内气体均能正常放电。只有当引出孔直径为d₁时，气体放电不稳定，等离子体突然熄灭，为此后面开展电子引出实验时不选用此孔径。在相同条件下，调节中和器和电子收集板的距离s为5 mm，开启可调电源，观察引出电流情况。实验结果表明，引出孔直径为d₃、d₄时，电子束流引出非常困难以至于无法获得完整的实验数据。引出孔直径为d₂时，电子束流引出非常顺利，引出的电子束流随流量以及偏压的变化和图4e)、图4f)相同。

综合所述d₂是最佳的电子引出孔直径。

采用n₂磁块最佳磁路结构、4号最佳结构天线和d₂最佳电子引出孔直径，在微波功率11 W、中和器和收集板之间距离为5 mm，分别利用φ ₁和φ₂2种孔径的前磁极靴，分别在固定可调电源输出电压400 V和固定气体流量2 sccm条件下实验分析电子束流引出变化规律，实验结果如图6所示。

图 6 前磁极靴孔径不同时引出电流随流量及偏压的变化

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图示说明，2种结构前磁极靴的引出电流都随流量和偏压的增加而增加；固定可调电源输出电压条件下，φ₁孔径前磁极靴引出的电流略大于φ₂孔径磁极靴；固定气体流量时，非常低的偏压就能使φ₁孔径前磁极靴引出电流；而且在相同的偏压条件下，φ₁孔径前磁极靴引出电流大于φ₂孔径前磁极靴引出电流。因此可以认为φ₁孔径是最佳的前磁极靴结构。

经过以上实验分析，可以认为n₂磁块磁路结构、电子引出孔直径取d₂、软磁合金孔径φ₁、4号天线是最佳中和器组合结构。采用此最佳结构，调节微波功率为11 W，不用保护电阻条件下，用低压电源引出电流，观察实验现象记录数据，并分析计算推进剂利用效率和电子产生损耗如图7所示。

图 7 低压电源下引出电流随流量及偏压的变化

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由图7a)可知，引出电子束流随流量的增大而增大，在流量为2 mL·min^-1时，引出电流最大可达111.7 mA，推进剂利用效率随流量的增加先增大后减小，其中在流量为1.36 mL·min^-1时，推进剂利用效率达到最大值，约为0.694 3，此时引出电子束流为95.8 mA，电子产生损耗随着流量的增大而减小，当流量为2 mL·min^-1时，电子产生损耗取得最小值165.5 W·A^-1，这是因为随着流量增大电流增大的原因。由图7b)可知，随着偏压的增大引出电子束流和推进剂利用效率都会逐渐增大，在偏压小于40 V时，引出电子束流和推进剂利用效率增加非常缓慢，当偏压大于40 V时，引出电子束流和推进剂利用效率随偏压的增大迅速增加，其中引出电流最大可达到121.5 mA，推进剂利用效率最大为0.599，此时偏压为67.2 V；电子产生损耗随偏压的增大而减小，当偏压为67.2 V时，电子产生损耗达到最小为157.7 W·A^-1。

针对前期开展的氩气工质ECR离子源引出的110 mA离子电流，本文通过实验研究ECR中和器的磁路和天线结构、电子引出孔直径和前磁极靴孔直径、引出电压以及气体流量对ECR中和器引出电子束流、推进剂利用效率以及电子产生损耗的影响规律，得到了ECR中和器的最佳结构组合和工作参数为n₂磁块磁体、4号天线、电子引出孔径d₂、φ₁孔径的前磁极靴、气体流量0.8 mL·min^-1、电子束流引出偏压为88.6 V，在此条件下可以引出103.8 mA的电子束流、推进剂利用效率和电子损耗分别为1.278 9和194.573 W·A^-1，基本能满足ECR离子源离子引出束流的需要。