射频范围(射频范围400-470mhz)

射频离子推力器，简单从名字可以看出这种推力器涉及到了射频，同时属于离子推力器的范畴。今天的文章将简要介绍一下射频离子和离子推力器的简单概念，说明射频离子推力器是怎样的一种放电形式，以及是如何产生推力的，这种推力器有哪些特点。

在电推力器领域，首先需要产生等离子体，等离子体的产生方式有多种方式，其中包括就射频等离子体。其实，射频等离子体被广泛应用于工业和医疗领域，其中13.56MHz及其谐频应用最广。射频波段从狭义来讲，频率范围为1-300MHz（也有说500MHz），在这个频谱范围内，处于不同频段放电的等离子体表现出不同的特性，主要原因在于粒子的质量（惯性）不同。

对于低频端的射频放电，除了重离子外，等离子体中的其他各种荷电粒子的运动均可以跟上射频电磁场的变化；而对于高频段的射频放电，等离子体中只有电子可以响应射频电磁场的变化，离子由于惯性较大，只能相应时间平均的电场，在射频的整个波段，电子都能及时响应射频场的变化（有一种推力器是电子回旋共振，利用微波作为能量源电离工质，2.45GHz的微波在87.5mT磁场下与电子运动共振传递能量电离工质）。

那么，射频等离子体是如何利用射频源产生等离子体的呢？这是我们首先需要回答的问题。

在传统的射频等离子体行业中，可以通过将射频电压加在两个平行电极上，也可以让射频电流通过一个线圈或天线。这些电极、线圈或天线可以浸入等离子体中，也可以通过一个介质窗口与等离子体隔离。如此产生的射频电磁场与等离子体中的电子耦合，将电磁场能量传递给电子，从而维持等离子体放电。在实际应用中，能量耦合效率以及等离子体的均匀性受到射频激励电极、线圈或者天线的严重影响，是需要优化设计的关键点之一。

从刚刚的描述我们可以发现射频能量电离工质有两种能量注入方式：一种是平行电极，这种方式称为电容耦合等离子体（capacitively coupled plasma，CCP）发生器；另一种是线圈或者天线，称为感应耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）发生器。两种能量注入形式如图1所示。

图1 CCP（上图）；ICP(下图)

两种方式下，等离子体的密度存在较大的差异，其中CCP的典型等离子体密度约10^15~10^16，ICP的典型等离子体密度可以达到10^16~10^18。在电推力器的应用中，我们需要尽可能的将工质电离，因此仅从这一点而言，电推力器将采用ICP而不是CCP。

我们简要分析一下ICP的过程，如图2所示是射频离子推力器的放电过程示意图。

图2 射频离子推力器示意图

互联网小常识：交换机采用两种交换方式技术：快捷转发交换方式和存储转发交换方式。

与霍尔推力器类似，射频离子推力器首先需要一个电离室，射频离子推力器的电离室一般为石英玻璃，有时候也采用氮化硼陶瓷，形状可为圆柱体、锥形或者半球形。

射频天线在电离室的外部，内部只有气体，因为这个特点，射频离子推力器很容易小型化。除了电离室和射频天线，关键的零部件就是栅极，有上千伏正高压（PHV）的屏栅极，用来从电离室提取离子，有负偏压两三百伏的加速栅极，与屏栅极电压形成加速电场，加速屏栅极提取出来的离子，有的时候会在加速栅极后面加一个零电位的减速栅极，防止离子返流侵蚀加速栅极。栅极在离子推力器中被称为光学系统，是所有类型离子推力器具备共性的一个系统。

射频离子推力器与其他类型推力器不同点在于电离室内部没有任何其他的器件，外部也无永磁体或者电磁线圈，只有射频线圈，结构简单。虽然结构简单，但是由于射频波段的波长与传输线长度接近，需要做阻抗匹配提高能量的传输效率，而且如果阻抗匹配没有做好轻则导致电离波动加剧，推力不稳定，重则直接损坏电源，这是射频离子推力器设计中尤其需要关注的问题。与通信领域的射频阻抗匹配不一样，这里涉及到等离子体，不同的工况下阻抗会发生明显变化，尤其是点火前后，特别是当应用于高精度的科研任务中，这点尤其需要注意。

以上是通过剖析射频离子推力器的结构，从宏观上大致了解了一下其构成和特点，现在我们在来分析一下内部的能量转换过程。

图3 射频天线

互联网小常识：outside为外部端口，安全级别为0，inside为内部端口，安全级别为100，安全级别的取值范围为1-99，值越大越安全。

所有的能量来源于射频源，射频能量通过射频传输线（一般为同轴电缆）传输至射频天线，如图4所示，然后射频天线是一个具备一定感抗的线圈，高频变化的射频电流会感应出轴向的磁场，这个磁场会在电离室内部感应出周向的涡流电场，如图2紫色部分所示。该涡流电场回加速工质原子的最外层电子，使之发生电离，在电离室内部产生等离子体，然后被屏栅极牵引出，在加速电场的作用下喷出，产生推力，最终被中和器产生的电子中和。实际点火过程中并没有如此简单，一般通过一些手段提供初始电子来促进启动过程。如将中和器的电子通过反转屏栅极和加速栅极的电位吸引中和器电子进入电离室，然后涡流电场加速这部分电子达到电离启动的目的。

图4 射频传输线

以上就是今天文章的主要内容。简单总结一下：射频离子推力器采用感应偶合（ICP）的形式在玻璃电离室内部产生高密度的等离子体，其能量转换过程为通过射频天线，将射频能量通过涡流电场传递给电子，电子在得到足够能量后开始电离工质产生等离子体，最终被上千伏的屏栅极引出，并与负偏压的加速栅极形成强静电加速电场，加速提取出来的离子使之离开电离室，产生推力，最终被中和器的电子中和。其一个非常鲜明的特点在于结构简单，易于小型化。