调制增强型同轴虚阴极振荡器理论分析与数值模拟

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与传统的虚阴极振荡器相比,同轴虚阴极振荡器振荡器具有更高的束波转换效率、频率稳定和长脉冲工作能力等优点,成为了一种具有良好应用前景的高功率微波发生器,但其效率低下的缺点仍然是限制其发展的最大障碍。旨在推动其实用化目标的实现,本文将从理论和数值模拟上开展束流调制机制对该类型器件效率影响的研究,为调制增强型同轴虚阴极振荡器的设计提供基础。本文基于一维稳态的假设初步建立了同轴虚阴极振荡器的简化物理模型,获得了电子束与互作用腔内振荡电场之间的非线性谐振增益,并对非线性谐振过程进行了深入的讨论。基于该物理模型分析了束流预调制机制对虚阴极振荡器效率的影响,并利用数值模拟方法对其相关物理规律进行验证,其分析结果指出调制增强是提高该器件微波产生效率最有效的措施之一。基于强流电子束在同轴谐振腔中调制过程的分析,建立了调制腔中TEM模式与电子束相互作用的一维模型,分析了调制电场强度、调制腔数量及其间隙宽度对束流调制效果的影响,从中获得了引入多腔调制腔结构和增强调制腔内电场强度的两种调制增强手段。为验证理论结果的有效性,先后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%的纯净的输出结果。该数值模拟结构进一步表明,束流预调制对于提高虚阴极振荡器效率具有重要作用。
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