新型双间隙虚阴极振荡器的理论分析和数值模拟.pdf

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文章编号：!"++"?@$**（*++,）+$?+@A$?+B
新型双间隙虚阴极振荡器的理论分析和数值模拟!

杨温渊

（北京应用物理与计算数学研究所，北京"+++CC）

!!摘!要：!该新型双间隙虚阴极振荡器的互作用区为一带孔金属薄膜隔开的两个圆柱形谐振腔；器件采用
侧向提取同轴输出的方法，具有输出效率高和输出模式纯的优点；第一阳极薄膜采用了局部薄膜结构。对互作
用腔进行冷腔分析，计算得到互作用腔!和"的品质因子分别为B#B+和,"(C，共振频率为*($/-D。当电子
束电压为A"AE%、电流为"+E6时，通过参数优化，模拟得到周期平均峰值功率大于A,+<2、频率约*(@/-D
的微波输出，效率达到""F。模拟还发现电子束的最佳阻抗值约为A"(A#；电子束的输入功率在较大范围内
变化时，器件的输出效率保持大于"+F；在一定的范围内，器件的输出效率随电子束密度的增加而增加。对器
件中由于电子能量沉积而引起的阳极膜的温升进行了估算，得到膜的最高温度为@$@G，远低于熔点#$$G。
!!关键词：!高功率微波；!双间隙虚阴极振荡器；!金属薄膜；!数值模拟
!!中图分类号：!9),A*!!!!文献标识码：!6

!!虚阴极振荡器由于结构简单、频率可调且不需要外加引导磁场聚焦电子束的优点，一直受到国内外学者的
广泛关注。近年来，虚阴极振荡器已成为高功率微波源研究的热点之一［"?"*］，研究重点是如何提高虚阴极振荡
器的输出功率和效率以及减小谱宽。双间隙虚阴极振荡器是俄罗斯学者在"##,年提出的［@］，它的互作用区由
两个互相耦合的矩形谐振腔组成，工作模式为+模。在注入功率约*+/2的情况下，模拟效率达到"+F，实验
效率为AF［B］。在双间隙虚阴极振荡器中，一般要求注入电子束的电流仅略大于其空间电荷极限电流。因此
相对于其它虚阴极振荡器，电子束的阻抗比较高，文献［B］中电子束的最佳阻抗值在B+#左右。
!!本文提出了一种新型的双间隙虚阴极振荡器，新模型的互作用区为一带孔金属薄膜分开的两个圆柱形谐
振腔，工作模式为$模；新模型采用侧向提取同轴输出的方法，输出功率和模式纯度都比较高。为了进一步提
高输出效率，第一阳极薄膜由全部变为局部金属薄膜，即在有电子束通过的环形区域为金属薄膜，其余部分为
金属薄板。我们在注入电子束功率约A/2的情况下进行了优化设计，计算表明输出效率可超过"+F，电子束
的最佳阻抗值约A"(A#。

!"模型分析
!(!"模型介绍
该新型双间隙虚阴极振荡器的结构见图，其中
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为耦合孔的半径，为带孔阳极薄膜的径向厚度，为
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互作用腔的半径，。和分别为提取孔
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的纵向宽度和输出孔的径向厚度，和分别为互作用
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腔和的纵向长度，为输出孔起始位置距第一个阳
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极薄膜的距离。为第一个支撑杆距提取孔的距离，
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为两排支撑杆的间距。HIJ("!7KLMN=OIKP>=QIRJ&ST>&T&UMPP&VW’M?J=TXI>K=O&>
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图新型双间隙虚阴极振荡器的结构示意图
!(#"工作原理"!
!!适当选取参数，尤其是电子束电流，使得当一环形电子束从阴极发射出来后能够穿过腔!，并在腔"中形
成虚阴极。相对于腔"的长度，腔.的长度要短得多。由于腔!和腔"之间存在耦合，电子束在进入腔"之前
便得到一定程度的预调制，从而有利于对电子束能量的提取。双间隙虚阴极振荡器中电子束电流取超过其空
间电荷极限电流的$+F[A+F，与传统的虚阴极振荡器相比，电子电流的值要小得多，且在腔!中得到预调

!收稿日期：*++B?+C?+#；!!修订日期：*++,?+"?+#
基金项目：中国工程物理研究院科学技术基金资助课题（*++B+@$*）
作者简介：杨温渊（"#,$—），女，副研究员，从事高功率微波源器件的理论和数值研究；\=RJ]QMR\V=R^N=I’(I=TKN(=K(KR。

书
BHB强激光与粒子束第:S卷

制，因此辐射场的频率主要由器件的结构参数决定。
!$"#冷腔分析
&&首先对互作用腔中电磁场的本征模的频率进行了计算。结
果表明：腔内基模模的频率主要由互作用腔的半径决
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定，模和模的频率很接近，且均基本不随和变化而变
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化；模的频率随着耦合孔半径的增大而明显增大（图），其
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中，而模的频率基本不随变化而变化。根据
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本文第%节的数值模拟可判定该器件的工作模式主要是!模。
其次对腔和腔的品质因子和进行了计算，采用
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