讲座题目：等离子体加速过程中被忽略的Bump-On-Tail（BOT）不稳定性问题

讲座嘉宾：苌磊，重庆大学副教授、博导、中科院百人，长期从事等离子体基础物理及创新应用研究，主持国家自然科学基金（2项）、中科院重点部署项目、中科院百人计划、中央高校基本科研业务费、中国博士后基金、重庆市留学人员回国创业创新支持计划（重点）、重庆市基础科学和前沿技术研究专项等17项，总经费1300余万元；发表SCI论文40余篇，组织国际会议2次，申请发明专利9项；担任中国宇航学会电推进专委会委员（2016.12-）、全国直线等离子体装置组委会委员（2022.08-）等。

时间地点：9月9日，下午14:00—16:00，科学园知源楼303会议室

内容摘要：空间电推进的关键是等离子体加速，其加速的效果直接决定推进器的推力、比冲和效率等核心参数。以往研究大多假设等离子体的加速过程是整体的，忽略了其时间上的渐进性和空间上的非均匀性；实际上，总有一部分粒子最先获取加速动能，进而通过碰撞等方式带动剩下的粒子加速运动。在这个过程中，会有相当长一段时间，相对冷或慢的背景等离子体中存在一束高能粒子，而这就是典型的Bump-On-Tail（BOT）问题，该高能粒子束会在背景等离子体中产生BOT不稳定性，显著影响后续加速效果以及等离子体与电极或天线之间的功率耦合。这是一个一直被忽略的问题，存在于几乎所有的空间电推进系统。随着百千瓦量级推进器的相继开发和运行，这一问题将变得更加突出，未转化为等离子体动能的输入功率将绝大部分转化为热，危及安全，严重限制了连续运行时间。报告将详细介绍BOT理论（1979年提出），并以VASIMR为例计算其中的BOT不稳定性，详细分析该不稳定性对推力、比冲和能量利用效率的影响（Space: Science & Technology 4: 0107, 2024）。具体而言，在VASIMR中采用第二级ICRH波驱动模块产生高能离子，导致BOT不稳定性；基于VASIMR上的实验数据，即参考VX-50，通过数值模拟首次探讨了这种可能性；发现即使在远离天线的羽流区域也存在BOT不稳定性。结果表明，速度空间扩散对波的非线性演化具有稳定作用，而背景等离子体中的耗散对波的非线性演化具有抑制作用。为了说明这些计算的实用价值，重点研究了BOT不稳定性对功率耦合和推力的影响。这些发现对于VASIMR以及其他在相对冷的背景等离子体中产生高能粒子的等离子体推进器有重要参考价值，可以指导实验抑制BOT不稳定性，从而提高功率耦合效率和推力器性能。根据调研，本报告属首次探索研究空间电推进领域的BOT不稳定性问题，具有显著的创新性、引领性和实际应用价值。

讨论环节1：霍尔推力器周向不稳定性（赵隐剑）

霍尔推力器中存在由ExB电磁场引发的周向不稳定现象，且是目前公认导致电子脱离磁场束缚发生反常传导的主要原因。针对周向不稳定性的研究，准确的理论方法必须通过求解复杂的动理学方程，准确的粒子模拟又受限于巨大的计算量，准确的实验诊断手段依赖昂贵、复杂的激光诱导荧光和高速滑台波探针系统，因此开展深入的机理研究极为困难。本讨论环节首先介绍霍尔推力器中周向不稳定性现象，然后针对基于动理学方程线性化求解出的色散关系进行讨论，探究理论研究进一步的可能性，以及其与模拟和实验的协作关系。

讨论环节2：空心阴极中的不稳定性问题（孟天航）

空心阴极作为电推进系统的电子源，对电推进系统的效率、拉偏能力、稳定性、可靠性等、寿命等方面均有影响，所以一般希望阴极能以尽可能小的功耗和气耗，尽可能大的、稳定的提供电子电流。但事实上这一目标几乎从未达到，主要问题就是阴极存在固有的不稳定性，可以在阴极局部形成高阻抗区和反常高能离子，提高阴极功耗的同时，却加快阴极自身的腐蚀、降低阴极的动态响应能力。本讨论环节首先介绍实验室在阴极不稳定性的一些进展，之后结合阴极羽流中高阻抗区的一些实验结果，结合BOT不稳定性的研究进展，讨论进一步的研究内容。