同軸虛陰極振蕩器基礎理論研究及原理性實驗.pdf

1、在眾多的高功率微波源中，虛陰極振蕩器具有一些特殊的優(yōu)點，如：結(jié)構(gòu)簡單、微波峰值功率高、對電子束質(zhì)量要求較低等，因而容易發(fā)展成體積小、重量輕、使用可靠的實用化緊湊型高功率微波源。虛陰極振蕩器的研究吸引了各國科學家，特別是軍事科學家的廣泛重視。在過去二十多年中，出現(xiàn)了多種改進性能的虛陰極振蕩器，如：反射三極管、Reditron、諧振腔鎖頻虛陰極振蕩器、多個虛陰極振蕩器相位鎖定裝置、雙間隙虛陰極振蕩器、各種反饋式虛陰極振蕩器等等。但是，由于虛

2、陰極振蕩器中束一波相互作用空間一般缺少對稱性，束波相互作用過程復雜、具有高度的非線性性質(zhì)，到目前為止，尚沒有得到詳細描述虛陰極振蕩確切物理過程和全面反映虛陰極振蕩器內(nèi)部定標規(guī)律的統(tǒng)一理論。相對低的束波能量轉(zhuǎn)換效率、頻率漂移和輸出功率的不穩(wěn)定仍是虛陰極振蕩器類型的高功率微波源的主要缺點。同軸虛陰極振蕩器是一種采用電子束徑向發(fā)射的新型虛陰極振蕩器，它比軸向虛陰極振蕩器更有優(yōu)勢，自上世紀末以來，人們對同軸虛陰極振蕩器開展了廣泛的研究，但還是沒

3、有達到軸向虛陰極振蕩器那樣的廣度和深度。 作為深入認識同軸虛陰極振蕩器的內(nèi)在物理規(guī)律、改進同軸虛陰極振蕩器性能的一種努力，本論文在國家863計劃項目的資助下，從理論分析、粒子模擬和實驗三方面較為深入細致地研究了同軸虛陰極振蕩器的基本原理。本論文所做的主要工作和貢獻如下： 一、理論研究上，通過對比軸向虛陰極振蕩器與同軸虛陰極振蕩器的相同和異同之處，較為深入的研究了電子束在虛陰極處透射、反射的變化規(guī)律、參數(shù)依賴關系及其對束波

4、互作用效率的影響。對以往的同軸虛陰極振蕩器理論研究進行了比較詳細的總結(jié)和補充。 二、以軸向虛陰極振蕩器為參照，對同軸虛陰極振蕩器進行了較為細致的粒子模擬研究，并在總結(jié)同軸虛陰極振蕩器產(chǎn)生微波機理的基礎上，提出了一種全新的同軸虛陰極振蕩器-徑向三腔同軸虛陰極振蕩器，其輸出微波功率高達2.45GW，效率約為12％，較以往虛陰極振蕩器大大提高，其輸出微波頻譜和模式也非常純凈。 三、結(jié)合實驗結(jié)果分析和相關專業(yè)軟件模擬的情況下，對

5、同軸虛陰極振蕩器輸出微波模式進行了深入細致的研究，提出同軸虛陰極振蕩器輸出微波模式主要由TE<,11>模式和TM<,01>模式共同組成的結(jié)論；并指出TE<,11>模式和TM<,01>模式的模比約為1：3～1：4，這個結(jié)論與實驗結(jié)果吻合的非常好。 四、對同軸虛陰極振蕩器的諧振機制進行了分析，首次提出將同軸虛陰極振蕩器的準腔結(jié)構(gòu)看作一個可變腔的理論。將陰極發(fā)射的電子束形成的環(huán)狀虛陰極看作是一個類似于金屬圓環(huán)的結(jié)構(gòu)，微波在其中既有反射