Page 105 - 《真空与低温》2026年第2期

224 真空与低温 第 32 卷 第 2 期

够在磁化等离子体中传播的特殊电磁波，其频率界 新概念，为验证其功能，进行针对 IECT 阴极与 EMN
于离子和电子回旋频率之间。螺旋波在传播过程 的耦合工作试验，首先，将产生于球形 IECT 阴极笼
中，大面积的电子通过朗道吸收或 TG 波阻尼而被 的高能电子引出并使其进入 EMN，EMN 的第一级
迅速地加热到具有最佳电离能的状态。相对射频 为传统 MN，MN 对高能电子的约束不仅能增强电
放电、微波放电和直流放电，螺旋波放电的主要优 离率，而且能够形成称为虚拟阴极的负势等离子体
势包括更高的电离率和等离子体密度、更低的约 柱；EMN 的第二级为相对等离子体的正电势（电场），
束磁场、气体密度和推进剂类型要求。 可加速等离子体；EMN 的第三级为等离子体的准
3.1.2 磁喷嘴 直和脱离，如图 98 所示 [340，343] 。由此可见，EMN 是在
磁喷嘴（Magnetic Nozzle，MN）又称为发散磁 MN 的基础上，通过在发散端增加偏置正电势来加速
喷嘴（Divergent Magnetic Nozzle，DMN），是一种用 等离子体。用电场的径向分量增强环向电流，从而
于加速磁化等离子体的技术，工作原理如图 97 所 增强轴向洛伦兹力，用电场的轴向分量加速离子。

示 [340] ，MN 上游为等离子体产生和约束区域，来自 虚拟阴极的
等离子体发生器（放电室或通道）的等离子体注入 源自IEC阳极 负势等离子体柱

MN 喉部；中间区域为等离子体加速区，带电离子
在发散磁场中产生环形飘移形成环向电流，环向电 ^ r ^
Z
流与径向磁场形成沿轴向的洛伦兹力加速等离子
θ ^
体，等离子体经过加速区后获得动量增益，其喷射
等离子体流的反作用力就是推力；下游为等离子体
分离区，等离子体运动到 MN 下游后，带电离子与 中轴线

MN 分离以避免动量增益的抵消。 IEC阴极 EMN EMN EMN 流量矢量
磁流矢量
一级线圈 阳极 二级线圈 阴极
电子产生 等离子体约 j θ,e 增强和 等离子体 离子轨迹
和倍增 束和电离增强 离子加速 准直和脱离 电子轨迹
^
I
等离子体注入 图 98 IEC 阴极引出的电磁喷嘴等离子体约束和加速概念
^ Fig. 98 Concept of electromagnetic nozzle for the confinement
Z
θ ^ and acceleration of plasma extracted from IEC cathode

3.1.4 无电流电双层
等离子体产生和约束 等离子体加速 等离子体分离 1999 年，澳大利亚国立大学等离子体研究实验
室（PRL）在进行螺旋波反应器等离子体源试验中，
图 97 MN 概念和三个功能区域
发现膨胀磁化等离子体中自发出现无电流双层电
Fig. 97 Concept illustrates the magnetic nozzle （MN） and
势差 [344] ，即无电流电双层（Current Free Electric Double
the three functional regions
Layer）现象。所谓的电双层是指局部等离子体电势
MN 的工作过程非常复杂，包括多种等离子体内 突降。图 99 为双层等离子体电势及对应的电荷密度。
能转换、洛伦兹力、热压力、等离子体旋转、感应
φ（x） ρ（x）

自磁场、等离子体碰撞和磁化响应、等离子体脱离
φ 0
（通过惯性、电阻或感应磁场）等 [341-342] 。尽管对 MN
的工作机理还未完全研究清楚，但磁喷嘴已经成为 x
电推进中用于加速等离子体的一种基本方法，ECR
x
等离子体推力器、螺旋波等离子体推力器、MPDT、 （a）电双层电势 （b）电双层电荷密度
VASIMR、DCFT 等多种电推进都应用了 MN 技术。
图 99 等离子体中电双层的电势及电荷密度示意图
3.1.3 电磁喷嘴
Fig. 99 Double layer electrostatic potential and the
近年来，德国在研究惯性静电约束推力器（In-
corresponding density
ertial Electrostatic Confinement Thruster，IECT）的过程
中，提出了电磁喷嘴（Electromagnetic Nozzle，EMN） 电双层的形成机制有 Sagdeev 模型、气体动力