虚阴极振荡器是什么

虚阴极振荡器是一种空电荷间装置。名字来源于它的工作原理与之前学过的所有设备不同。在空间充器件中，微波的产生过程与强空间充效应及由此产生的虚阴极密切相关。

虚阴极振荡器是一种空电荷间装置。名字来源于它的工作原理与之前学过的所有设备不同。在空间充器件中，微波的产生过程与强空间充效应及由此产生的虚阴极密切相关。

简要概述

空间充器件主要有虚拟阴极振荡器、反射三极管、Reditron等。但是，它们更普遍地被称为虚拟阴极振荡器，因为其他种类的空电荷间器件也可以被视为虚拟阴极振荡器的改进。

基本结构

虚拟阴极振荡器的结构非常简单，其基本元件只有阴极、阳极和输出波导(包括输出窗口)。图1-1给出了两种虚拟阴极振荡器的结构示意图:微波能量的轴向输出和横向输出。

虚拟阴极振荡器结构简单，输出功率高，易于调谐，辐射的微波频谱很宽。单个虚拟阴极振荡器甚至可以产生1~2倍频程频谱范围的微波辐射；从0.5GHz到10GHz的频率范围可以被不同的可调谐虚拟阴极振荡器连续覆盖。虚拟阴极振荡器不需要聚焦磁场，质量小，能产生us级宽度的微波脉冲。虚拟阴极振荡器在低阻抗条件下的工作能力，使其在一些特殊场合具有优势，比如利用低阻抗、高储能的爆炸式磁压缩发生器作为驱动源，可以直接产生大功率微波辐射，微波弹就是这种应用的典型例子。虚阴极振荡器的缺点是效率很低，一般只有1%。辐射微波的模式杂，频谱太宽，很难进行单模和单频振荡。

操作原理

空之间的电荷限制流量

虚拟阴极振荡器的工作基础是虚拟阴极的形成。

在正常情况下，阴极的发射电流会随着阳极电压的增加而增加，但阴极和阳极之间会形成负空电荷，这将导致阴极和阳极之间每一点的电位空比没有空电荷时降低。当阳极电压进一步升高，阴极发射电流达到一定水平时，空之间的电荷密度引起的电位降可以使阴极表面场强为零。此时，如果不考虑阴极发射电子的初速度，阴极就不能继续发射，或者说空之间的阳极电场和电荷场是平衡的，阴极电流只能维持在一定值，不能再增加了。如果考虑阴极发射电子的初速度，在阴极表面无电场的情况下，仍然会有电子发射，这样进入阴极和阳极空之间的电子会略微增加，空之间的电势会进一步降低，从而在空之间的某处产生负电位。负电位在阴极表面产生负电场，将排斥初速度的电子离开阴极表面，继续进入空。阴极电流再次达到平衡状态，不能再增加了。当阴极发射被空之间的电荷限制时，可以达到的平衡态电流称为空电荷限制电流。在相对论性装置中，当电子束在一维方向上运动时，空之间的电荷限制电流Iscl可计算如下:

与阳极电压的关系见公式:

g是几何因子。对于半径为r的圆形漂移管中平均半径为rb的薄环形电子束，有

对于半径为rb的固体电子束，有

如果阴极和阳极之间的面积空与外半径R和内半径ri同轴，那么对于平均半径为rb的薄环形电子束，有

运行特性

工作频率

虚阴极振荡的频率接近相对论等离子体频率，即

公式中，fp为相对论等离子体频率，单位为Hz；Ne是电子束通过阳极时的电子密度。

；e和m0是电子电荷和电子静止质量；

是自由空之间的介电常数。转换成一个实用的单位制，上面的公式可以写成

其中，

单位为GHz，j为电子束面积密度，ka/cm；

ve是电子速度。在非相对论情况下，

,

根据扁平二极管的3/2幂定律，虚阴极的振荡频率可以写成

在强相对论的情况下，ve接近光速c，所以

，那么

，然后得到

除了虚拟阴极本身的振荡之外，已经指出被捕获在阴极和虚拟阴极之间的势阱中的电子会聚集，并且它们的辐射频率是

在公式中，t是电子经历一次反射所需的时间，d是阴极-阳极间隙。使用实际单位制，上述公式变为

d的单位是厘米。

一般FVC >:典型的关系是fVC∝2fR。但无论是非相对论还是强相对论情况下，振荡频率与电压的弱关系以及振荡频率与D的反比关系都已在实验中得到证实。