Page 106 - 《真空与低温》2026年第2期

张天平等：空间电推进技术概览—新型电推进（上） 225

模型和还原性扰动模型等 [344] 。在膨胀磁化等离子 限大的朗缪尔半径，跨越磁场的主要是离子电流等。
体中形成电双层的影响因素包括磁场强度、气体
球双层
压力、射频功率、边界条件、气体种类、正电性或 Φ e,SDL
Φ i,SDL 2eΔV SDL
v e =
负电性气体等。 n i m i v i m e
e
3.1.5 惯性静电约束等离子 i n n e m e v e
b
惯性静电约束（Inertial Electrostatic Confinement， a
IEC）能够同时产生和约束等离子体，20 世纪 50 年
Φ i,SDL
代用于核聚变。球形 IEC 工作原理为，用两个同心 球双层表面: n i m i v i =n e m e v e
ΔV SDL
球栅极作为电极，电极间加高电压，阴极发射的高 球双层内部: T i ≈T e
Φ e,SDL
能电子使两电极间的气体电离，产生离子和电子， a b
其中的离子在电场作用下向球中心运动，并穿过阴
图 101 球双层工作原理
极到达另外一侧被减速后返回，如此来回运动直到
Fig. 101 Schematic of SDL model
发生碰撞，这种往返震荡在球中心形成虚拟阳极，

电子开始向中心虚拟阳极运动，在中心形成高密度 连续导电层 外层
r 磁表面
等离子体，如图 100 所示 [345] 。由此可见，从原理上，
IEC 可以产生高电离率和高密度的等离子体。 分界线
R c O点
R s
内层

磁表面
z
阳极
阴极 对称轴 L s X点
离子
电子 图 102 FRC 剖面图
Fig. 102 (Color online) Anatomy of an FRC

n i , Φ 粒子密度
电势 平衡的 FRC 等离子体用于核能发电，平移的
FRC 等离子体可用于电推进。图 103 为平移 FRC 等
Φ=0
离子体形成的基本过程 [347] ，（1）将气体充入线圈包
围区域；（2）线圈通入低通量电流；（3）预电离气体，
R
r a r c r c r a
等离子体被磁场捕获；（4）磁场被强迫抵消，边界磁
图 100 球形 IEC 工作原理 力线被撕裂，内部磁场重组；（5）径向压缩和轴向压
Fig. 100 IEC principle 缩形成自洽场反构等离子体；（6）非轴对称地径向

当虚拟阳极形成的驱动电子运动的电势梯度 压缩使等离子体不稳定，形成等离子体的轴向平移。

足够大时，形成如图 101 所示的球双层（SDL）。SDL
通量充入和
能够约束 IEC 等离子体 [345] ，如果通过外加静电场 预电离
打破 SDL 的约束机制，就可以从中引出等离子体，
为电推进应用奠定基础。 磁场抵消
3.1.6 场反构等离子体
场反构（Field-Reversed Configuration，FRC）发现 径向压缩和磁重联
于 1956 年，本意是足够稠密的赋能电子层能够抵消
磁场并形成具有约束性的磁场封闭区域。当代 FRC 轴向和径向压缩
的定义为 [346] ，由一组嵌套的环形磁表面组成的环
状磁约束系统。图 102 为 FRC 的剖面图，分界线 平移
（separatrix）为闭环磁场与开环磁场的边界；O 点又称
为磁轴，是最内层磁表面（环）。FRC 具有一些特别 图 103 平移 FRC 等离子体团形成和结构示意图
的物理属性，如内部为弱磁场，O 点和 X 点具有无 Fig. 103 Formation sequence and geometry of FRC