反馈调制型同轴虚阴极振荡器

摘
要 ： 对 反 馈 调 制 型 同轴 虚 阴 极 振 荡 器 进 行 了理 论 分 析 和 数 值 模 拟 研 究 ， 果 表 明 ： 器 件 通 过 增 加 结 该
同轴 谐 振 腔 结 构 并 引入 反 馈 可 以对 人 射 电子 束 形 成 明 显 的 调 制 效 果 ， 而 使 得 器 件具 有 高 束 波 转 化 效 率 和 频 从
虚 阴极振 荡器作 为 一种 空间 电荷 效应 高 功率微 波 器件 ， 般 不 需 要外 加 磁 场 ， 有 结 构 简单 、 电子 束 质 一 具 对
量要 求不 高 、 率容 量高 等优 点 ， 功 因此 受 到高 功率微 波领 域研 究 人员 的 广泛关 注 。但 是虚 阴极 振荡 器 的束 波转
反 馈 调 制 型 同轴虚 阴极 振 荡器
张永鹏 ， 刘国治。 邵 浩 ， 林郁正 ， 王宏军 ， 宋 玮 。 ，
（ ．清 华 大 学 工 程 物 理 系 高 能 辐射 成 像 国 防 重 点学 科 实 验室 ，北 京 １ ０ ８ ； ２ １ ０ ０ ４ ．西 北 核 技 术研 究 所 ，西 安 ７ ０ ２ ） １ ０ ４
１ 器 件 结构 与模 型 分 析
图 １ 出 了反馈 调制 型 同 轴 虚 阴极 振 荡 器 的 结 构 示 意 给 图， 这是 传统 同轴 虚 阴极振 荡器 的一 种 改进 结构 。图 中， 工区 为二极 管 区 ， Ⅱ区为束 波互 作用 区 ， Ⅲ区为传 输波 导 区 。其 中
二 极 管 区 和 传 输 波 导 区 采 用 与 传 统 同 轴 虚 阴 极 振 荡 器 相 同 的
在 反馈 调制 型 同轴虚 阴极 振荡 器 中 ， 内外 阳极 形 成 同 轴谐 振 腔 ， 阳极 与 阳 极 挡板 形 成 一 端 开 放 的 圆柱 内
腔， 同轴谐 振腔 与圆柱 腔之 间 由长 度为 Ｌ —Ｄ 一Ｄ ａ 。的耦 合 间 隙 连 通 （ ⅡＡ 区） 。入射 电子 束 经 过 内外 阳极 进
微 波 输 出 ， 换 效 率 达 到 １ ． ， 频 为 ５ ５ＧＨｚ模 式 为 ＴＭ。模 。 转 ３７ 主 ． ， 关 键 词 ： 虚 阴 极 振 荡 器 ； 反 馈 调 制 ； 高 功 率 微 波 ； 谐 振 腔 ； Ｐ Ｃ模 拟 Ｉ 中 图分 类 号 ： ＴＮＩ ５ ２ 文献标志码 ： Ａ
强和 控制束 波相 互作 用过 程 实现 的 ， 中对 电子束 进行 调制 和 引 入 反馈 机 制 增强 束 波相 互 作 用 是 最 为有 效 的 其
两种 方法 。 由于对于 虚 阴极振 荡器 产 生微 波 的机理 认识 还 不 够深 入 ， 些 改进 结 构 产生 微 波 的 效率 仍 很 难 达 这
化效 率相对 较低 ， 生微 波频 谱 和模式 复 杂 ， 产 大大 限制 了它 的发 展 和应 用 。 为 了克 服这 些 缺 点 ， 究 者不 断 提 研
出新 型结 构和 改进结 构Ｌ ］ 在 一定 程度 上提 高 了虚 阴极振 荡 器 的性 能 ， １ ， 而这 些 新 型 和 改进 结 构 大 都是 通 过 增
Ｆｉ １ Ｓ ｅ ｃ ｆｃ ａ ｉ ｌ ｉｃ ｔ ｒ ｗｉｈ ｇ． ｋ ｔ ｈ ｏ ｏｍｏ ｌｔｏ ｅ ｄｂ ｃ ｎ ｅ ｍ ｄｕ ａ ｉ ｎ
图 １ 反 馈 调 制 型 同 轴虚 阴极 振 荡 器结 构 示 意 图
率 单 一 稳 定 的特 性 ； 时 输 出微 波 的频 率 被 器 件 结 构 中 的 同 轴 谐 振 腔 锁 定 ， 节腔 参 数 可 以 在 一 定 范 围 内对 输 同 调
出 微波 频 率 进 行 调谐 ； 二 极 管 电 压 约 为 ６０ｋ 电 子 束 功 率 ２ ． Ｗ 条 件 下 ， 以 得 到 平 均 功 率 ３ ６ＧＷ 的 在 ０ Ｖ， ６ ２Ｇ 可 ．
第２ ０卷第 ９期
２０ ０ ８年 ９月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＩＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ９ １２ ， ．
Ｓｅ ｐ．， ００ ２ ８
文 章 编 号 ： ｉ ０ —３ ２ ２ ０ ） ９ １ ０ — ４ ０ １４ ２ （ ０ ８ ０ — ５ ３０
到 １ 以上 ， Ｏ 且设计 日趋 复 杂化 ， 离 了虚 阴极 振 荡 器 结构 简 单 的优 势 。本 文 在 传 统 同轴 虚 阴极 振 荡 器 的 研 背 究基础 上Ｌ ， 计 了反馈 调 制型 同 轴虚 阴极 振荡 器结 构 ， 利用 全 电磁 Ｐ Ｃ程 序对 其进 行 了数值 模 拟 。 ６ 设 并 Ｉ
结构， 只是在 束波 互作 用 区增 加 了一 个 阳极 ， 与原 有 阳极 形 成
一
个 同轴 谐振 腔结构 （ ⅡＢ区 ） 实 现反 馈 调 制 。内 阳极 （ 以 半
径 较小 的） 圆形波 导壁 相连 ， 部 为开 放式 结构 ， 阳极 （ 与 端 外 半
径较 大 的） 固定 在法 兰 盘 上 ， 部 为 封 闭式 结 构 ， 端 由一 个 阳极 挡 板把 Ｉ区 和 Ⅱ区 隔离 开 来 。图 中 ， 为 阴极 发 射 面 半 径 ， Ｒ Ｒ。 为外 阳极 半径 ， 为 内 阳极 半 径 ， 为 阳极 挡 板 到 虚 阴 Ｒｚ Ｄ 极形 成位 置 的距 离 ， ：为 法 兰 盘 到 虚 阴极 形 成 位 置 的距 离 ， Ｄ Ｄ 为 内 阳极 端部 到虚 阴极 形成 位置 的距离 。
入 圆柱 腔 ， 由于 空间 电荷 限制 的作 用会 形成 虚 阴极 ， 阴极 的存在 会 使得 后续 的入 射 电子部 分反 射 回同轴腔 甚 虚
至二极 管 区 ， 反射 电子 在 同轴腔 内会 激 励起 ＴＥ 模式 谐 振场 ， 场 型分 布和谐 振 频 率被 同轴腔 锁 定 。形 成 的 Ｍ 且 谐 振场会 对 入射 电子束 产生 速 度调 制 ， 到速度 调制 的入 射 电子束 进 入 圆柱腔 发展 成密 度 调制 ， 受 同样 受 到空 间