预调制对虚阴极振荡器高功率微波产生器件效率影响研究

高功率微波是强电磁脉冲产生及应用的一个主要研究方向，具有迫切的军事和民用需求。本项目重点研究预调制机理对虚阴极振荡器类型的高功率微波发生器的影响，目的是建立该类型高功率微波发生器的物理模型，对预调制机制影响其功率转换效率进行分析，给出理论模型及优化设计方法，并进行实验研究，验证预调制机制虚阴极振荡器功率效率的影响，为虚阴极振荡器的相关应用提供基础。

虚阴极振荡器由于其结构紧凑、不需要外磁场等优点，是目前对军事应用最具吸引力的高功率微波产生器件之一，但效率较低的缺点是限制其应用的最大问题。鉴于束流预调制手段对于提高效率起到重要作用，本课题对预调制型同轴虚阴极振荡器开展效率特性特性研究，以推动其实用化进程。. 本课题通过对稳态情况下空间电荷效应和束流二维运动的理论研究，得到了与数值模拟结果符合较好的一维和二维同轴二极管以及漂移空间电荷限制电流的全电压表达式，给出了强流电子束在漂移空间中形成虚阴极的条件以及虚阴极位置、束流透射率等的简单函数表达式。研究了相对论电子束流在非均匀调制腔结构中的传输和调制过程，结合对阳极影响的分析，提出一种适合在同轴虚阴极振荡器中应用的双1/4波长同轴预调制腔结构，得到该种调制腔在强束流加载情况下的谐振频率、对束流的调制效率以及腔的起振电流等参数表达式。综合考虑入射电子、反射电子和透射电子与空间场的相互作用，建立了比较完整的束波相互作用物理模型，得到了漂移空间中虚阴极的谐振特性。给出了虚阴极振荡器的效率、频率性以及束流调制、反馈和相关结构参数对效率和频率的影响规律等。研究给出了虚阴极振荡器的最佳工作电流范围及虚阴极振荡器本征工作频率，研究表明虚阴极振荡器最佳电流工作点为约2.2倍空间电荷限制流。给出了预调制型虚阴极振荡器中的频率决定机制，研究表明预调制型虚阴极振荡器中系统工作频率主要由束流调制频率决定，而系统最优工作频率主要由虚阴极本征工作频率决定。为深化对其物理机制的认识，基于大信号理论建立了同轴虚阴极振荡器的一维模型，给出了电子束与漂移空间中特定模式电场之间的非线性谐振关系。. 提出了径向调制型同轴虚阴极振荡器的物理设计原则，通过理论和数值模拟优化得到了一种输出功率约6.3GW、效率约17.5%、调谐带宽约50%的高效率径向双腔预调制型同轴虚阴极振荡器结构。为了进一步提高器件效率，提出了三腔与调制型同轴虚阴极振荡器和双腔调制增强型同轴虚阴极振荡器的两种模型。通过数值模拟优化设计，前者获得了输出功率约为7.20 GW，效率约20%的高功率微波输出，后者得到了输出功率约为7.05GW，效率约为19.6%的输出结果。为了检验器件效率特性，基于MC55加速器开展了高效率预调制型同轴虚阴极振荡器的初步实验研究，经过实验参数优化，得到了大于1.8GW的微波输出。