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在应用需求的推动下，高功率微波(High-Power Microwave, HPM)源具有长脉冲、重复频率、长时间稳定的特点，而阴极已成为限制HPM源发展的瓶颈因素之一。与平面二极管相比，磁绝缘同轴二极管(Magnetically Insulated Coaxial Diode, MICD)不仅避免阳极箔损坏及蒸发等问题，还具有可重复性好、束流品质高等优点，有利于重复运行和长脉冲技术的发展，被广泛用于O型HPM器件中来产生强流环形电子束。目前关于MICD中阴阳极等离子体、回流以及电流损失等关键问题研究仍处于起步阶段。基于此，论文开展以下几个方面的研究：
1、研究外加磁场下阴极等离子体膨胀特性的理论。将阴极等离子体膨胀看作由数密度非均匀性引起的扩散和电场引起的迁移这两种输运过程，建立外加电场和导引磁场下阴极等离子体膨胀的流体模型，分别得到轴向和径向膨胀速度的解析表达式。理论表明膨胀速度主要由等离子体中心区的离子数密度和边缘处的密度梯度决定；轴向导引磁场不直接影响轴向膨胀，但以修正因子的方式抑制径向膨胀；电场促进与其方向相同的膨胀，阻碍与其方向相反的膨胀。
2、实现MICD阴极等离子体膨胀过程的粒子模拟。基于PIC(Particle-In-Cell)缩比模型，提出针对MICD阴极等离子体轴向和径向膨胀速度的线密度法和伏安法。模拟结果除了验证上述的理论外，还得到如下规律：强磁场下，径向膨胀速度比轴向速度要低一个量级，而电场对各向膨胀的阻碍作用较弱。高等离子体温度促进轴向膨胀，不利于径向膨胀。大电离截面、高气压、低气温和强入射电子通量都会通过增大等离子体形成率来促进各方向膨胀。在混合气体形成的等离子体中质量小的离子决定轴向膨胀速度，而质量大的离子决定径向膨胀速度。脉冲内轴向膨胀速度演化呈现“V”型曲线，强磁场在平顶期间在某种程度上能抑制轴向膨胀速度。
3、建立MICD阴极等离子体各向膨胀速度的电学诊断。引入伏安法找到脉冲内阴极等离子体轴向和径向膨胀速度的演化规律。除了验证以上模拟结果，还得到强磁场下轴向膨胀速度为几个cm/μs，而径向速度低于1cm/μs，甚至接近0；径向速度在脉冲内演化呈“U”型曲线；较大的二极管电压在平顶期间能抑制轴向和径向膨胀速度；碳碳复合材料阴极比石墨具有更低的等离子体膨胀速度等优势。
4、实现MICD阴阳极等离子体膨胀特性的光学诊断。正向拍摄在脉冲期间同时存在阴极、屏蔽板和收集极构成的三个同心圆环的等离子体光斑，且阴极等离子体发光在脉冲结束后持续最长达6μs。利用数字化图像后处理验证电学诊断中关于阴极等离子体膨胀速度的结论，还发现收集极阳极等离子体膨胀速度在cm/μs量级，其中向外的膨胀速度最突出。强磁场、高电压和小角度刀口都有利于阴极均匀发射。刀口角度越小，阴极等离子体轴向膨胀速度越小，径向膨胀速度越大。对比不锈钢、铝、铜、硅铝合金、介质铜以及石墨阴极的发射均匀性、电学特性、光学特性及膨胀速度，结果表明介质铜是作为阴极的首选材料；除了膨胀速度略大，石墨其余特性良好；硅铝合金阴极膨胀速度较低，其它特性优势也接近石墨；铝在各方面性能都较差。
5、研究MICD中回流和电流损失机制。基于MICD磁力线与屏蔽板相交且无阻抗崩溃的情况，利用粒子模拟和实验研究回流及电流损失机制。模拟得到磁场高于临界值时，二极管回流率与导引磁场的大小无关，主要受磁场位形的影响的结论。同时提出通过选择阴极和磁场最佳匹配点来抑制回流的方案。通过理论和模拟估算横越阴阳极的负离子速度均约为1.0cm/ns。模拟和电学诊断验证阴极负离子电流损失机制，并发现当磁场高于1.0T时，在整个脉冲期间负离子损失率维持在12%左右。
1、研究外加磁场下阴极等离子体膨胀特性的理论。将阴极等离子体膨胀看作由数密度非均匀性引起的扩散和电场引起的迁移这两种输运过程，建立外加电场和导引磁场下阴极等离子体膨胀的流体模型，分别得到轴向和径向膨胀速度的解析表达式。理论表明膨胀速度主要由等离子体中心区的离子数密度和边缘处的密度梯度决定；轴向导引磁场不直接影响轴向膨胀，但以修正因子的方式抑制径向膨胀；电场促进与其方向相同的膨胀，阻碍与其方向相反的膨胀。
2、实现MICD阴极等离子体膨胀过程的粒子模拟。基于PIC(Particle-In-Cell)缩比模型，提出针对MICD阴极等离子体轴向和径向膨胀速度的线密度法和伏安法。模拟结果除了验证上述的理论外，还得到如下规律：强磁场下，径向膨胀速度比轴向速度要低一个量级，而电场对各向膨胀的阻碍作用较弱。高等离子体温度促进轴向膨胀，不利于径向膨胀。大电离截面、高气压、低气温和强入射电子通量都会通过增大等离子体形成率来促进各方向膨胀。在混合气体形成的等离子体中质量小的离子决定轴向膨胀速度，而质量大的离子决定径向膨胀速度。脉冲内轴向膨胀速度演化呈现“V”型曲线，强磁场在平顶期间在某种程度上能抑制轴向膨胀速度。
3、建立MICD阴极等离子体各向膨胀速度的电学诊断。引入伏安法找到脉冲内阴极等离子体轴向和径向膨胀速度的演化规律。除了验证以上模拟结果，还得到强磁场下轴向膨胀速度为几个cm/μs，而径向速度低于1cm/μs，甚至接近0；径向速度在脉冲内演化呈“U”型曲线；较大的二极管电压在平顶期间能抑制轴向和径向膨胀速度；碳碳复合材料阴极比石墨具有更低的等离子体膨胀速度等优势。
4、实现MICD阴阳极等离子体膨胀特性的光学诊断。正向拍摄在脉冲期间同时存在阴极、屏蔽板和收集极构成的三个同心圆环的等离子体光斑，且阴极等离子体发光在脉冲结束后持续最长达6μs。利用数字化图像后处理验证电学诊断中关于阴极等离子体膨胀速度的结论，还发现收集极阳极等离子体膨胀速度在cm/μs量级，其中向外的膨胀速度最突出。强磁场、高电压和小角度刀口都有利于阴极均匀发射。刀口角度越小，阴极等离子体轴向膨胀速度越小，径向膨胀速度越大。对比不锈钢、铝、铜、硅铝合金、介质铜以及石墨阴极的发射均匀性、电学特性、光学特性及膨胀速度，结果表明介质铜是作为阴极的首选材料；除了膨胀速度略大，石墨其余特性良好；硅铝合金阴极膨胀速度较低，其它特性优势也接近石墨；铝在各方面性能都较差。
5、研究MICD中回流和电流损失机制。基于MICD磁力线与屏蔽板相交且无阻抗崩溃的情况，利用粒子模拟和实验研究回流及电流损失机制。模拟得到磁场高于临界值时，二极管回流率与导引磁场的大小无关，主要受磁场位形的影响的结论。同时提出通过选择阴极和磁场最佳匹配点来抑制回流的方案。通过理论和模拟估算横越阴阳极的负离子速度均约为1.0cm/ns。模拟和电学诊断验证阴极负离子电流损失机制，并发现当磁场高于1.0T时，在整个脉冲期间负离子损失率维持在12%左右。