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准光腔型自反馈虚阴极振荡器的研究

陈波  
【摘要】:虚阴极振荡器是一种重要的高功率微波源,具有结构简单、频率易调、束流质量要求低等特点。但同时也存在输出微波产生效率低、主频不稳、频带较宽、多种模式并存等缺陷。作为一种改进方案,本论文提出了一种新型的准光腔型自反馈虚阴极振荡器。准光学谐振腔为虚阴极振荡提供自恰的反馈及选频机制,在提高束波作用能量转换效率的同时,缩短起振及饱和时间、稳定输出频率并保持虚阴极振荡器的原有优点,并能以高斯波束的形式输出微波,具有较好的方向性。 论文首先通过对谐振腔系统的理论分析,求解了满足系统边界条件的旁轴波动方程,得到了腔场分布、谐振频率、波束能量及衍射损失等一系列的谐振腔系统特性。理论分析的结果表明:在这种结构的谐振腔中,存在类似于高斯分布的本征腔场。其场分布在中心处最强,纵向分量沿轴向呈周期性振荡,而径向分量沿横向迅速衰减。这样分布的场能够与反射电子和虚阴极本身高频振荡激励起来的电磁场有效地耦合。同时,作为一种高Q值的谐振腔,球面镜具有的对电磁波的反射汇聚作用,可以提供一种强烈而自恰的轴向反馈机制,从而进一步调制虚阴极振荡以提高束波作用能量转化效率。而谐振腔所具有的选频特性还可以实现输出微波的频率稳定性。此外,通过谐振腔能量分布及衍射特性的分析,得出可以利用高次和非对称模式的边缘衍射,获得足够的功率输出,从而解决了轴向反馈与输出微波的矛盾。 另一方面,通过对器件的粒子模拟,我们得到了平均功率为1.34GW,峰值功率超过2.5GW的微波输出。束波作用能量转换平均效率接近10%,峰值效率超过17%。辐射微波主频为7.0GHz,属于Xc波段,频谱尖锐、单纯,单色性好。虚阴极振荡产生高功率微波辐射的起振时间小于5ns,输出功率饱和时间在10ns左右。同时,由于腔体尺寸较大,内部场强较低,从而能有效地避免击穿,并具有较大的功率容量。此外,由腔场分布,可知为准光谐振腔本征模式,衍射输出的微波具有较好的方向性。 综合理论分析与粒子模拟的结果,我们初步证明了这种新型的谐振腔系统在提高虚阴极振荡器功率水平、稳定频率及改善振荡特性等方面所具有的突出作用。


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