平板型虚阴极振荡器频率特性实验研究

介绍了在“闪光二号”加速器上开展平板型虚阴极高功率微波振荡器频率特性实验研究的结果及分析。结果表明：平板型虚阴极振荡器表现出多频特性,且在微波脉宽内频率随时间变化;其频率分布在C波段和X波段,主频在C波段;主频由虚阴极自身振荡产生并且等于局部电子束的相对论等离子体频率,主频与二极管间隙电压有弱的依赖关系,与二极管间距成反比,而与阴极尺寸和阳极材料关系不大。     

向内发射同轴虚阴极振荡器实验研究

 同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器，对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍。实验结果表明，在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中，产生微波的主模为TE₁₁模，与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比，其主频稳定且带宽较窄；在二极管电压300kV，电流18kA条件下，获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲，效率约为3.6%，工作频率为2.7GHz。     

轴向反馈式虚阴极振荡器的频率特性

 采用粒子模拟和实验相结合的方法对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了研究。结果表明，轴向反馈式虚阴极振荡器能够有效地锁定微波频率，提高输出功率。在二极管电压为450kV，束流为22kA的条件下，当阴阳极间距大于1.3cm时，辐射微波主频约为3.5GHz，此时与腔的耦合较好，微波辐射功率较高；当阴阳极间距小于1.3cm时，辐射微波主频约为4.8GHz。实验和模拟符合得较好。     

大平面二极管虚阴极振荡器的宽脉冲微波辐射

给出了产生宽脉冲微波辐射的大平面天鹅绒二极管虚阴极振荡器的结构和测试装置,测得了二极管中阴–阳极等离子体的闭合速率为30~43km/s,获得了微波辐射的最大脉宽为1.5μs,产生的微波峰值功率约为15MW,频率为0.5GHz,指出这种平面二极管型虚阴极振荡器在辐射脉宽,辐射频率和辐射功率三者之间存在着物理上的制约关系,认为同轴型虚阴极振荡器是突破这种制约关系的一个新途径。     

同轴波导虚阴极振荡器二极管参数优化的研究

采用粒子模拟研究了同轴波导虚阴极振荡器二极管参数对微波效率和频率的影响,得到了由二极管参数改变引起的二极管阻抗变化及其对微波效率的影响规律. 借鉴具有慢波结构的高功率微波器件中微波模式特性阻抗的计算方法,给出同轴波导虚阴极振荡器中微波主模式特性阻抗的理论计算公式. 将理论计算结果与由粒子模拟对器件进行优化后得到的二极管阻抗进行比较,发现当反映电子束特性的二极管阻抗与微波主模式特性阻抗匹配时,虚阴极振荡器具有较高的束波功率转换效率. 进一步用特性阻抗对其他几种典型结构的虚阴极振荡器进行分析,验证了该方法的合理性,为设计高效率虚阴极振荡器提供了理论指导. 关键词： 虚阴极振荡器 同轴波导 二极管参数 特性阻抗     

大平面二极管虚阴极振荡器的宽脉冲微波辐射

给出了产生宽脉冲微波辐射的大平面天鹅绒二极管虚阴极振荡器的结构和测试装置，测得了二极管中阴－阳极等离子体的闭合速率为３０～４３ｋｍ／ｓ，获得了微波辐射的最大脉宽为１．５μｓ，产生的微波峰值功率约为１５ＭＷ，频率为０．５ＧＨＺ，指出这种平面二极管型虚阴极振荡器在辐射脉宽，辐射频率和辐射功率三者之间存在着物理上的制约关系，认为同轴型虚阴极振荡器是突破这种制约关系的一个新途径．     

虚阴极振荡器中微波频率的研究

在虚阴极振荡器的实验中,同时得到了几百兆瓦5.17GHz和几兆瓦7.74GHz的微波输出。根据虚阴极振荡器的单电荷层模型可知,主频5.17GHz的微波由虚阴极自身振荡产生;7.74GHz 的微波由虚阴极自身振荡与虚阴极振荡或电子往返振荡产生的调制束流相互作用产生。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

 给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果，在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

虚阴极振荡器中微波频率的研究

 在虚阴极振荡器的实验中，同时得到了几百兆瓦5.17GHz和几兆瓦7.74GHz的微波输出。根据虚阴极振荡器的单电荷层模型可知，主频5.17GHz的微波由虚阴极自身振荡产生；7.74GHz 的微波由虚阴极自身振荡与虚阴极振荡或电子往返振荡产生的调制束流相互作用产生。     

同轴虚阴极振荡器数值模拟

给出了同轴型虚阴极振荡器的数值模拟和部分理论分析结果, 指出许多几何结构参数包括阴极宽度、二极管间隙等都对输出微波的频率、带宽和能量转换效率有较大的影响。给出了这些参量之间关系的数值模拟结果,在一定程度上为同轴虚阴极振荡器的实验研究提供了理论基础。     

同轴虚阴极微波输出模式分析

对不同透过率的阳极网进行实验研究,得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波,对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析。对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算,并与实验结果进行比较。实验结果表明：网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响;同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果;阳极网透过率对频率有显著影响,透过率越高,则微波频率相应提高。     

同轴虚阴极微波输出模式分析

 对不同透过率的阳极网进行实验研究，得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波，对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析。对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算，并与实验结果进行比较。实验结果表明：网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响；同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果；阳极网透过率对频率有显著影响，透过率越高，则微波频率相应提高。     

The effect of an external signal on output microwave power of a low-voltage vircator

This Letter is devoted to results of the both experimental and theoretical studies of electromagnetic radiation output power gain in the low-voltage microwave generator with a virtual cathode (vircator) under an external harmonic signal leading to the preliminary velocity modulation of the electron beam. The simple theoretical model of the electron beam with virtual cathode in a diode gap with retarding field under the external signal has been developed. The theoretical and numerical analysis have shown the possibility of power amplification in the vircator under the external influence. Obtained results of the theoretical consideration are proven by the experimental study.     

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60 GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7 GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。     

Influence of positive ions on oscillatory processes in an electron beam with virtual cathode

We numerically simulate the influence of positive ions on characteristics of the microwave oscillations in a nonrelativistic electron beam with the virtual cathode formed in a decelerating field (low-voltage vircator). A numerical scheme allowing for ionization of a residual gas by an electron flow is proposed. It is shown that the residual-gas ionization in the operating chamber of a low-voltage vircator leads to a forcing of the virtual cathode out of the transit gap and to a cutoff of microwave oscillations. The obtained numerical data are confirmed by an experimental study using a low-voltage vircator model. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 49, No. 10, pp. 853–863, October 2006.     

粒子模拟中阳极栅网模型的实现

在3维Yee网格和蛙跳模型上建立了一种合理的描述阳极栅网中电子散射过程的物理模型,在经典碰撞理论基础上推导了散射角和动量公式,并运用蒙特卡罗法模拟了高斯分布电子束在径向虚阴极情景下的阳极栅网散射过程。模拟结果出现了明显的虚阴极现象,平均功率0.60GW,虚阴极效率4.5%,微波主频4.7GHz,主模是TM01模。这些参数与文献模拟的数据基本符合,证明了虚阴极中阳极栅网数值模拟实现的正确性。     

Dynamics of an electron beam with a virtual cathode in a vircator without a magnetic field and with drift space filled by neutral gas

The physical processes in a vircator without an external magnetic field and with a drift space filled by neutral gas are studied. Three typical dynamic regimes are found: (1) the suppression of virtual cathode oscillations, (2) pulse generation, in which the suppression and resumption of virtual cathode oscillations are observed, and (3) continuous virtual cathode generation. The frequency dynamics of the vircator’s output radiation is investigated for the last case, and it is shown that the generation frequency of the vircator can rise when the gas pressure exceeds a certain critical value.     

反馈调制型同轴虚阴极振荡器

 对反馈调制型同轴虚阴极振荡器进行了理论分析和数值模拟研究,结果表明:该器件通过增加同轴谐振腔结构并引入反馈可以对入射电子束形成明显的调制效果,从而使得器件具有高束波转化效率和频率单一稳定的特性;同时输出微波的频率被器件结构中的同轴谐振腔锁定,调节腔参数可以在一定范围内对输出微波频率进行调谐;在二极管电压约为600 kV,电子束功率26.2 GW条件下,可以得到平均功率3.6 GW的微波输出,转换效率达到13.7%,主频为5.5 GHz,模式为TM₀₂模。     

阶跃波导虚阴极振荡器数值模拟研究

 对一种阶跃波导虚阴极振荡器进行了数值模拟研究。结果表明阶跃波导长度对高功率微波的产生具有较大的影响；阶跃波导的等效圆柱腔谐振频率与阶跃波导长度和半径有关，当其接近二极管的本征振荡频率时，可以获得比较单一的微波频谱和效率较高的微波输出；微波产生效率随阶跃波导长度呈周期性变化。