4-35  X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验

陈代兵  刘庆想  何  琥  苏  昶

　　随着脉冲功率技术和等离子体物理的不断发展，出现了一类基于电子束在谐振腔中的渡越时间效应的渡越辐射机制来产生高功率微波的器件。该类微波器件的起源是单腔管（TTO），近年来，美国科学家提出了分离腔振荡器（SCO），后来又研制出超级后加速振荡器（Super-Reltron） (通过对这些器件的研究，提出并仔细研究了基于渡越时间效应的渡越管振荡器。渡越管振荡器是在中国工程物理研究院提出并研制的一类新型高功率微波器件) 。

首先基于渡越时间效应提出了一种新的渡越管振荡器的结构模型，并给出了基于该模型的X波段五腔渡越管振荡器的结构模型（如图1）。然后，对谐振腔进行高频特性研究，即研究谐振腔的TM₀₁模式的谐振频率，进而研究对应频率的场分布，该场即为模式场。接着，给出了电子束与不同模式场的能量交换关系。从而宏观地判断出该振荡器可以产生高功率微波，并判断出工作模式。再次，对该振荡器进行了粒子模拟，证明了一维非线性分析的结论；并优化设计出工作频率为9.3 GHz，输出功率约1 GW，束波转换效率22%的五腔渡越管振荡器（如图2）。最后，对五腔渡越管振荡器进行了实验研究，得到了较好的束压、束流与输出微波信号。

    通过本文的理论与实验研究，可以得出结论：(1) 基于电子束在多腔谐振腔中的渡越时间效应的X波段五腔渡越管振荡器可直接产生高功率微波。(2) X波段五腔渡越管振荡器的工作模式是TM₀₁模的非p模-3/5p模。(3) X波段五腔渡越管振荡器的微波输出峰值功率约780 MW，频率约9.25 GHz，脉宽（半高宽）约21 ns，束波转换效率约为16%。