微波电子回旋共振（Electron Cyclotron Resonance,ECR）离子推进器作为一种电推进器,兼具磁场约束和电子回旋共振加热的优点,可以在低气压小尺寸腔室中高效产生等离子体,微波ECR离子推进器因此在微小型航天器的在轨调控中受到重要关注。由于微小型航天器中能分配给离子推进器的功率受限,开展微波ECR离子推进器击穿功率的研究具有应用意义。但是,目前已有微波ECR击穿放电研究仅关注了气相过程,而忽略了表面过程的影响。在微波ECR离子推进器的磁化等离子体中,不同的天线和磁场组合影响微波波模、传播、截止、吸收等,继而影响等离子体特性及推进器性能,同时也带来了尚待研究的物理问题。在有栅离子源的离子引出中,不可避免地存在加速栅的离子轰击,但现有研究仅限于离子溅射刻蚀,伴随的加速栅二次电子发射对离子源放电的影响是本领域的空白区。针对上述击穿放电、波模激发、等离子体特性、加速栅二次电子发射等问题,在本论文中进行了深入的研究。首先进行了5 cm直径2.45 GHz ECR离子推进器交叉磁场、离子引出栅、天线的优化设计。采用八块平行磁化的圆弧形磁钢组成了密排圆环,消除了约束磁场中磁钢间隙处的弱磁场区;采用薄铝板遮蔽了端面处的ECR层,抑制了该区域的局部放电。采用离子光学软件IBSimu设计、优化了双栅离子引出系统,发现了现有离子光学软件中存在的共性问题:栅间击穿电压与栅间距等参数有关,但无法通过程序计算。为此,提出了一种计算与实验交互迭代的优化方法。在初期微波ECR离子推进器的杆天线放电实验中,发现了高微波功率下离子引出时杆天线前端的悬浮单极弧放电。在分析了起弧原因后,采用面积较大的圆板天线替代杆天线成功地抑制了起弧。利用COMSOL软件模拟计算了圆板天线放电产生的等离子体密度分布,模拟结果得到了实验中观察到的两种相反的等离子体发光径向分布。在圆板天线微波ECR离子源的击穿放电实验中,发现击穿功率(Pwb)不仅取决于放电腔室内的气压值,还与击穿放电间隔时间tin有关。实验得到的Pwb由短tin值下的高功率迅速下降至长tin值下的低功率,降低幅值高于一个量级。在不同tin值下,Pwb随氙气流量的变化也表现出不同的特征。在短tin值下,Pwb随气体流量增加单调降低;在长tin值下,Pwb呈现先减小后增大的非单调特性。为了分析表面过程的作用,通过以下三个研究确定了天线边缘处10 mm宽的圆环区为影响表面过程的有效区域:（1）采用不同半径的聚酰亚胺薄膜覆盖钼天线;（2）采用COMSOL软件计算ECR层中微波电场垂直分量（E⊥）的分布;（3）采用高速相机拍摄击穿放电演化过程中的瞬态辉光图像。分析表明,有效表面区域实际上是在击穿阶段能够被来自于ECR层热电子轰击的表面区。通过表面物理分析确定,钼天线表面吸附的亚单层气体降低了电子逸出功函数。在天线边缘受到ECR热电子轰击时,产生增强的二次电子发射,由此降低了Pwb。在此基础上分析了影响气体覆盖度的因素,建立了与tin值、天线温度、吸附、解吸相关的动态模型,完整解释了ECR反常击穿特性。在天线表面气体覆盖度达到饱和的条件下,实验研究了Pwb随天线半径的变化,得到了最低Pwb对应的优化天线半径。通过对比分析Pwb实验最低值、ECR层中1/E⊥、1/（E⊥/|dB/ds|）最小值处的天线半径,确定了降低Pwb的天线优化原则。在圆板天线微波ECR离子推进器的离子引出实验中,发现了未见报道的低、高微波功率区域中的离子束流跳变,并对此展开了以下研究。（1）低功率区的离子束流跳变总是伴随着径向发光区域的跳跃性扩张,通过对比有、无离子引出时的放电辉光端面照片,确定了该扩张由ECR放电产生,与离子引出无关。通过图像处理软件Image J分析了不同微波功率下ECR离子源放电辉光端面照片的径向灰度分布,确定了由寻常波放电所产生的驻波、趋肤效应。随放电功率增加,等离子体密度峰值由驻波主导的中心区快速外移至趋肤效应主导的边缘区,对应的功率窗口宽度远低于甚高频放电。峰值快速外移归因于寻常波放电中电子等离子体共振层处的局部微波增强吸收和电子横向磁约束对驻波、趋肤效应竞争的影响。当趋肤效应占据主导地位后,增强的非寻常波在放电腔室侧边的ECR层中再次击穿放电导致了低微波功率区径向发光区域的跳跃性扩张,同时造成了离子束流上跳。（2）高微波功率区的离子束流跳变与离子引出相关,无离子引出时微波放电没有观察到相应的跳变。在跳变机理研究中,建立了与径向中心区域加速栅截击流、高能γ电子、温δ电子、天线及屏栅鞘层势垒、冷电子电约束等相关的正反馈过程。该正反馈过程发生在趋肤效应造成的径向中心低等离子体密度区,由过聚焦离子轰击加速栅产生的γ电子引发。进入放电腔室的高能γ电子不能直接电离中性气体,但其轰击对面天线产生了δ电子发射。在高能γ、中等能量温δ电子入射条件下,天线及屏栅鞘层势垒增高,提高了冷电子高能部分的电约束,并增强了中性气体的电离,由此导致离子束流上跳。在离子束流跳变后的放电中加热圆板天线上的示温贴纸,获得的温升斑图证实了驱动正反馈过程所需的高能二次γ电子。通过离子能量分析器测量了高微波功率区离子束流跳变前、后径向中心区域的等离子体空间电位,证明了温δ电子对栅极鞘层电压降的影响,由此间接证实存在温δ电子。基于高能二次γ电子的物理模型不仅可以解释本论文中的离子束流上跳,而且还能解释其他有栅离子推进器中的异常实验结果。在圆板天线的半径优化实验中,得到了最大离子束流所对应的中等天线半径区。优化天线下得到的最大离子束流值高于同等条件下其他5 cm微波ECR离子推进器的指标。对比分析最大离子束流、最低击穿功率下的优化天线半径得到,无法在一个天线半径下同时获得最大离子束流和最低击穿功率,需要根据不同应用条件进行取舍。综上所述,在论文研究中优化了2.45 GHz微波ECR 5 cm离子推进器的交叉磁场,研究了寻常波、非寻常波、固体表面单层吸附气体、加速栅高能γ电子、天线半径等对腔室内击穿放电、维持及离子引出的影响。研究结果加深了对交叉磁场微波ECR离子推进器的理解,其中加速栅高能γ电子对腔室放电的影响是有栅离子源的共性问题,有助于有栅离子源特性的全面分析。