TE模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器-强激光与粒子束.PDF

第18 卷 第2 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 18 ，No. 2 2006 年2 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Feb. ，2006 文章编号： 1001-4322（2006 ）02-0230-05 TE11 模式增强型高效率同轴虚阴极振荡器* 邵 浩， 刘国治， 杨占峰 （西北核技术研究所，西安7 10024 ） 摘 要： 在阴阳极严格同轴的条件下，理论分析表明同轴虚阴极振荡器中TE11 模式与TM01 模式与径向 入射电子束的谐振耦合具有近似的作用效率。3 维PIC 数值模拟结果显示，即使在圆对称结构下，输出波导中 非角向均匀模式在输出功率中也占有较大成分。因此，同轴虚阴极振荡器中TE11 模式与电子束之间的谐振作 用对器件效率的影响不可忽略。通过引入结构的不对称性以及TE11 模式反射器可以抑制电子束与TM01 模式 之间的谐振作用，从而起到抑制同轴虚阴极振荡器系统中模式竞争的作用，因此可以提高电子束到微波的功率 转换效率。实验结果表明，采用阴阳极非均匀对称结构的TE11 模式增强型同轴虚阴极振荡器可以大幅度提高 效率，在优化参数条件下获得功率转换效率约7% ，输出功率大于1. 0 GW 的实验结果，该功率约为近似严格同 轴结构的2 . 5 倍。该研究结果可以为高效率同轴虚阴极振荡器装置设计与实验结果分析提供基本理论依据以 及参数确定基础。 关键词： 虚阴极振荡器； 高功率微波； 脉冲功率； 耦合效率 中图分类号： TN125 文献标识码： A 虚阴极振荡器是高功率微波（HPM ）产生器件的一个重要分支，它是一种强非线性空间电荷效应器件，其 中HPM 辐射产生于强流电子二极管发射束流超过漂移空间的空间电荷限制流而形成的虚阴极的振荡。此类 器件具有功率容量高、结构简单、无需高质量电子束以及不需要外加强引导磁场等优点。但是该器件的最大缺 点就是非约束状态下虚阴极振荡器的效率非常低，通常只有1% ～ 2% 。 为了提高这种器件的电子束能———微波能转换效率，许多新型的器件被提出并得到研究。其中，同轴虚阴 极振荡器就是其中一个具有较大应用潜力的新型结构。同轴虚阴极振荡器具有准腔式的束-波互作用结构，在 一般情况下可以达到相对较高的效率（ ［1-3 ］ 5% ） 。在以前的大部分研究中，一般都认为TM 模式场型与轴对 ≥ 01 称径向入射电子束的耦合效率最高，从而同轴虚阴极振荡器中激励高功率微波的主要模式将是TM01 模，而忽 略了TE11 模式对器件工作状态的影响。实际上，由于TE11 模式是圆波导的基模，在模式竞争中将会占主导作 用。同时径向入射的电子束会导致圆柱型阳极腔中具有最强的径向电场分量，而这种电场分布与TE11 模式场 分布接近。并且，在实际实验装置中由于阴阳极结构的不同轴性是绝对存在的，所以由于阴阳极结构的偏心导 致的电子束发射不均匀性将会导致激励TE11 模式的机制进一步增强。 在虚阴极振荡器中，为了获得高效率的HPM 输出，必须抑制器件中的模式竞争。而对于同轴虚阴极振荡 器来说，首先需要确定系统的工作主模式，然后通过改进器件结构来抑制一种模式而增强另外一种模式与电子 束的互作用，从而达到提高效率的目的。 1 同轴虚阴极振荡器中电子束-波互作用结构模式分析 为了抑制模式竞争作用对同轴虚阴极振荡器效率的影响，在同轴虚阴极振荡器中工作模式一般选择为 TE11 与TM01 模式，其它高阶模式处于截止状态。根据参考文献［4 ］可知，在圆柱型阳极腔中径向均匀入射电子 束与TM01 模式的谐振增益为 2A 2π 2 s s s