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同轴虚阴极振荡器基础理论研究及原理性实验

罗雄  
【摘要】: 在众多的高功率微波源中,虚阴极振荡器具有一些特殊的优点,如:结构简单、微波峰值功率高、对电子束质量要求较低等,因而容易发展成体积小、重量轻、使用可靠的实用化紧凑型高功率微波源。虚阴极振荡器的研究吸引了各国科学家,特别是军事科学家的广泛重视。在过去二十多年中,出现了多种改进性能的虚阴极振荡器,如:反射三极管、Reditron、、谐振腔锁频虚阴极振荡器、多个虚阴极振荡器相位锁定装置、双间隙虚阴极振荡器、各种反馈式虚阴极振荡器等等。但是,由于虚阴极振荡器中束-波相互作用空间一般缺少对称性,束-波相互作用过程复杂、具有高度的非线性性质,到目前为止,尚没有得到详细描述虚阴极振荡确切物理过程和全面反映虚阴极振荡器内部定标规律的统一理论。相对低的束波能量转换效率、频率漂移和输出功率的不稳定仍是虚阴极振荡器类型的高功率微波源的主要缺点。同轴虚阴极振荡器是一种采用电子束径向发射的新型虚阴极振荡器,它比轴向虚阴极振荡器更有优势,自上世纪末以来,人们对同轴虚阴极振荡器开展了广泛的研究,但还是没有达到轴向虚阴极振荡器那样的广度和深度。 作为深入认识同轴虚阴极振荡器的内在物理规律,改进同轴虚阴极振荡器性能的一种努力,本论文在国家863计划项目的资助下,从理论分析、粒子模拟和实验三方面较为深入细致地研究了同轴虚阴极振荡器的基本原理。本论文所做的主要工作和贡献如下: 一、理论研究上,通过对比轴向虚阴极振荡器与同轴虚阴极振荡器的相同和异同之处,较为深入的研究了电子束在虚阴极处透射、反射的变化规律、参数依赖关系及其对束-波互作用效率的影响。对以往的同轴虚阴极振荡器理论研究进行了比较详细的总结和补充。 二、以轴向虚阴极振荡器为参照,对同轴虚阴极振荡器进行了较为细致的粒子模拟研究,并在总结同轴虚阴极振荡器产生微波机理的基础上,提出了一种全新的同轴虚阴极振荡器—径向三腔同轴虚阴极振荡器,其输出微波功率高达2.45GW,效率约为12%,较以往虚阴极振荡器大大提高,其输出微波频谱和模式也非常纯净。 三、结合实验结果分析和相关专业软件模拟的情况下,对同轴虚阴极振荡器输出微波模式进行了深入细致的研究,提出同轴虚阴极振荡器输出微波模式主要由TE_(11)模式和TM_(01)模式共同组成的结论;并指出TE_(11)模式和TM_(01)模式的模比约为1:3~1:4,这个结论与实验结果吻合的非常好。 四、对同轴虚阴极振荡器的谐振机制进行了分析,首次提出将同轴虚阴极振荡器的准腔结构看作一个可变腔的理论。将阴极发射的电子束形成的环状虚阴极等效于一个类似于金属圆环的结构,微波在其中既有反射部分也有透射部分,并且随频率变化。微波在这一准腔中产生谐振,从而使输出功率得以提高,这与实验结果基本一致。


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