同轴虚阴极振荡器实验研究

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所关于同轴虚阴极振荡器实验的最新进展。实验结果表明,带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器比不带阳极反射板结构的同轴虚阴极振荡器输出微波功率更高,频谱更纯。在二极管电压350 kV,电流23 kA条件下,输出微波峰值功率500 MW,能量转换效率约6.2%,工作频率为3.3 GHz。对实验结果进行了理论分析。     

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。     

同轴虚阴极谐振效应研究

中国工程物理研究院应用电子学研究所的一些实验表明由阳极反射板、阳极网和阴极发射的电子束形成的环状虚阴极围成的准谐振腔是决定同轴虚阴极输出微波功率和传输模式的关键所在. 在二极管电压350kV，电流23kA条件下，获得了500MW的微波输出功率，能量转换效率约6.2％，工作频率3.3GHz，输出微波主要由TM₀₁模式和TE₁₁模式组成. 对同轴虚阴极的谐振效应进行了分析. 关键词： 高功率微波 同轴虚阴极 谐振腔 模式竞争     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE11和TM01仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE11和TM01模式成分的微波输出。     

向内发射同轴虚阴极振荡器波束互作用的数值模拟研究

对向内发射同轴虚阴极振荡器微波主频进行了解析求解, 利用稳态相对论流体Maxwell方程组得到了微波主频所满足的方程; 同时使用MAFIA程序的TS3模块对向内发射同轴虚阴极振荡器中波束互作用进行了全三维PIC数值模拟研究, 通过对微波输出圆波导中5个传输模式的监测,得到了各模式的频谱分布及输出功率. 结果表明, 在有阳极反射板存在时, 构成的准腔结构能够有效地改善频谱, 从而提高能量转换效率.     

向内发射同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

 针对向内发射同轴虚阴极振荡器进行了1维理论分析,给出了电流电压关系的数值解,估算了同轴漂移区空间电荷限制流及虚阴极位置;同时使用MAFIA程序进行了全3维PIC数值模拟研究,通过调节阴极电子发射区与阳极反射板之间距离进行了一系列计算,得到了圆波导中各传输模式频谱及功率。结果表明,尽管使用圆周对称的同轴结构,输出模式中TE₁₁和TM₀₁仍占主导地位,两种模式共同存在,相互竞争。在最佳情况下,当二极管电压为250 kV,电流为20 kA时,得到了微波输出总功率最高为740 MW,功率效率超过10%,主频为3.18 GHz,同时含有较强TE₁₁和TM₀₁模式成分的微波输出。     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

在阴阳极严格同轴的条件下,理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE11模式与TM01模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示,即使在圆对称结构下,输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此,同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM01模式之间的谐振作用,从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用,因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明,采用阴阳极非均匀对称结构的TE11模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率,在优化参数条件下获得功率转换效率约7％,输出功率大于1.0 GW的实验结果,该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM01模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。     

TE11模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器

 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE₁₁模式与TM₀₁模式与径向入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3维PIC数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11模式与电子束之间的谐振作用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11模式反射器可以抑制电子束与TM₀₁模式之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE₁₁模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7％，输出功率大于1.0 GW的实验结果，该功率约为近似严格同轴结构的2.5倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以及参数确定基础。     

新型径向三腔同轴虚阴极振荡器的模拟研究

 提出了一种新型的径向三腔同轴虚阴极振荡器,并对其进行了理论分析和数值模拟。这种虚阴极振荡器采用径向三腔结构,通过改变束-波互作用区的电场分布来提高电子束与TM₀₁模式的耦合效率,并通过采用准谐振腔的结构来进一步抑制模式竞争以获得较高的输出微波增益。同时采用能量同轴提取的方式进一步提高器件的功率和效率。粒子模拟结果表明,在二极管电压400 kV,束流50 kA的条件下,径向三腔同轴虚阴极振荡器在4.14 GHz处获得了平均功率约2.45 GW的微波输出,功率转换效率达到12％。输出微波模式纯度较高,频谱非常窄。     

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。     

高效强流径向分离腔振荡器研究

根据同轴虚阴极的结构特点,提出了一种紧凑型径向分离腔振荡器,该径向分离腔的特点是输入电子束的电流可以很大,从而可以得到较高的微波输出功率. 综合考虑影响微波输出的各种因素,在电子束为410kV,电流为35kA的条件下,模拟得到的平均功率大于50GW,频率为146GHz,电子束功率效率达到348%. 关键词： 径向分离腔 高功率微波 同轴虚阴极 电子束分布     

Optimization of the parameters of a virtual-cathode oscillator with an inhomogeneous magnetic field

A two-dimensional numerical model is used to study the generation of powerful microwave radiation in a vircator with an inhomogeneous magnetic field applied to focus a beam. The characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are found to strongly affect the vircator generation characteristics. Mathematical optimization is used to search for the optimum parameters of the magnetic periodic focusing system of the oscillator in order to achieve the maximum power of the output microwave radiation. The dependences of the output vircator power on the characteristics of the external inhomogeneous magnetic field are studied near the optimum control parameters. The physical processes that occur in optimized virtual cathode oscillators are investigated.