提出一种高效率预调制型同轴虚阴极振荡器，进行了数值模拟研究。研究表明：径向束流预调制型同轴虚阴极振荡器利用在束-波互作用区加载金属圆环形成谐振腔，改变束-波互作用区的电场，对电子束进行调制。圆筒形金属形成的调制腔产生的电场既对电子束进行了调制，同时对微波频率进行了锁定，其谐振频率主要是由加载的金属圆筒的长度和两个圆筒之间的径向距离决定。经过优化设计，在600 kV，73 kA无外加引导磁场的条件下，预调制型同轴虚阴极振荡器获得了平均功率6 GW，频率为2.575 GHz的微波输出，效率达到13.94%。

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.

从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解.给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析.采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果.与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近.

通过改变阴阳极间隙,得到在不同外加电场情况下,场致爆炸发射石墨阴极有效发射面积随时间变化的实验结果.结果表明,在起始的一定时间内,阴极有效发射面积随时间的增加而增大.阴极有效发射面积达到1.0的时间随阴阳极间隙内电场的增加而减小;当二极管阴阳极之间的平均电场约为100kV/cm时,阴极有效发射面积达到1.0的时间约为20 ns阴极有效发射面积相对电压波形的延迟时间随电场的变化近似呈指数衰减曲线.

同轴型虚阴极振荡器是一种较有发展潜力的虚阴极振荡器,对西北核技术研究所近期的同轴型虚阴极振荡器实验的结果进行了介绍.实验结果表明,在不带有阳极反射板的同轴虚阴极振荡器中,产生微波的主模为TE11模,与常规的轴向发射虚阴极振荡器相比,其主频稳定且带宽较窄;在二极管电压300kV,电流18kA条件下,获得了功率约为200MW的高功率微波脉冲,效率约为3.6%,工作频率为2.7GHz.