三腔渡越时间振荡器是一种前景光明的、基于轴向渡越时间效应的高功率微波器件。现有研究对象的腔长分布都是均匀的。关于非均匀三腔渡越时间振荡器的系统理论研究在国内外都没有报道，实验研究更是空白。 本文从理论分析、粒子模拟和数值计算三个方面对非均匀三腔渡越时间振荡器进行了系统的研究，并成功地进行了非均匀三腔渡越时间振荡器的实验，获得了稳定的预想模式的高功率微波输出。研究得到了一系列重要的新结论和新规律，探索出了一种提高束波功率转换效率的新方法。 研究了小信号条件下，电子在非均匀两腔和非均匀三腔谐振腔π模驻波场中的渡越时间效应，得到了束波功率转换效率的函数表达式。 采用数值计算的方法，研究了非均匀三腔谐振腔的高频特性，得到了腔长变化对类TM₀₁₀2π／3模式及其频率，对各腔纵向场分量Ez大小及其径向分布的影响规律。 利用考虑了空间电荷效应和束波非线性相互作用的2.5维PIC粒子模拟程序，对非均匀和均匀三腔渡越时间振荡器进行了粒子模拟研究，结果与理论分析相符。 对非均匀与均匀三腔渡越时间振荡器中电子束的调制和群聚现象进行非线性分析，自行编写了相应程序，计算对比了非均匀与均匀情况下电子束的能散度和调制系数，研究结果与粒子模拟相符。 对微波提取结构和输出结构进行了优化设计，设计加工了实验装置，并对非均匀三腔渡越时间振荡器进行了实验研究。测量了微波功率，微波频率以及微波功率的角分布，得到了辐射微波效率与电压大小的关系，比较了典型实验数据与相同参数下的粒子模拟结果。典型实验结果如下：电子束电压400kV，电子束电流3.28kA，均匀三腔渡越时间振荡器辐射的微波功率为198.6MW，微波频率4.58GHz，功率效率15.13％；电子束电压468kV，电子束电流2.92kA，三腔长度国防科学技术大学研究生院学位论文分别为1 .0、1 .4和1.scm的非均匀渡越时间振荡器辐射的微波功率为246.6MW，微波频率4.49GHz，功率效率18.06%;电子束电压434kV，电子束电流2.87kA，三腔长度分别为1 .2、1 .4和1.6cm的非均匀渡越时间振荡器辐射的微波功率为246.6MW，微波频率4.49GHz，功率效率19.82%。实验验证了理论分析和粒子模拟所得到的结论，即相同条件下，一定腔长组合的非均匀三腔渡越时间振荡器产生的微波功率明显高于均匀三腔器件。 传统轴向渡越时间效应高功率微波器件的二极管阻抗高，限制了电子束的功率，影响了器件输出功率进一步的提高。这已经成为了该类器件发展的瓶颈。本文提出了一种全新结构的轴向渡越时间效应低阻抗高功率微波源器件，其低阻抗高效率的特性突破了传统轴向渡越时间效应高功率微波源发展的瓶颈，开拓了该类器件研究的新思路，具有重要的科研价值和学术意义。 本文对该器件进行了高频特性分析和粒子模拟研究。分析了器件的工作频率，工作模式以及相应模式下的场分布特点，得到了器件结构参数对工作频率影响的规律。粒子模拟表明，以电子束电压580kv，电子束电流20kA为例，器件产生的微波功率大于3Gw，微波频率3.SGHZ，功率效率约为25.8%，二极管阻抗29Q。结果表明该新型结构的器件阻抗低、效率高，具有十分美好的应用前景和推广价值。关键词:非均匀三腔，渡越时间效应，低阻抗，高功率微波第2页