虚阴极振荡器作为一种高功率微波器件,其最大缺点是束波转换功率效率较低。为此,本文提出了一种同轴波导虚阴极振荡器的新型结构,并对其展开了深入细致的理论分析和粒子模拟研究,同时进行了初步的实验研究,得到束波转换功率效率为21.8%的模拟结果,揭示了同轴波导虚阴极振荡器在提高功率效率和微波输出功率方面的优势。论文的研究内容包括以下几个方面:提出了同轴波导虚阴极振荡器的新型结构。从环形束在同轴波导内提高束波转换功率效率、提高器件注入电功率和利用反馈机制促进束波相互作用三个方面分析了这种新型结构在提高功率效率和微波输出功率方面具备的潜在能力。对强流相对论电子束的束流特性进行了理论分析。对层流平衡模型进行了数值计算,得到电子束以层流平衡态传输时空间极限电流对二极管电压和轴向导引磁场的依赖关系;利用电子一维运动稳态模型,推导出同轴波导内环形电子束空间极限电流的解析表达式,并数值求解了考虑到电子数密度非均匀分布的非线性Possion方程,得到电子束空间极限电流与二极管电压、波导结构和电子束结构等参数之间的关系,在此基础上还考虑了电子径向速度分量的影响;对同轴波导虚阴极振荡器的基本物理特性进行了分析。利用电流元模型,对同轴波导虚阴极振荡器的微波输出功率及主模式进行了分析;对三种现有描述虚阴极振荡器内束波转换功率效率的理论模型进行了重新讨论和分析,修正了原有模型的不当之处,为提高虚阴极振荡器功率效率奠定了理论基础;采用高频电磁场软件得到同轴波导虚阴极振荡器的谐振频率特性;借鉴耦合阻抗的概念,得到了二极管参数对器件功率效率的影响规律。采用2.5维全电磁粒子模拟软件对同轴波导虚阴极振荡器进行了结构设计和参数优化。模拟结果给出了束波作用过程详细的物理图象,得到了二极管电压、轴向导引磁场等电参数和内导体半径、阴阳极间距以及反馈环、调制环、提取环的位置和口径大小等结构参数对器件工作性能的影响规律;在此基础上对器件进行了优化设计,并结合实验室加速器条件进行了模拟研究,得到典型模拟结果。经优化,同轴波导虚阴极振荡器在二极管电压550kV、电流22.8kA、导引磁场1.1T、阴阳极间距1.4cm、电子束厚度1.0cm时,获得功率2.3GW、频率3.77GHz的微波输出,功率效率18.3%,若扣除阳极网80%的透射率,则在束波作用区功率效率为22.8%;在此基础上还提出了同轴二极管结构的同轴波导虚阴极振荡器,虽然器件起振和饱和时间有所增大,但是在二极管电压659kV、束流16.6kA、电子束厚度0.6cm、阳极网透过率90%、阴阳极间距1.7cm、导引磁场1.1T时,获得功率2.4GW、频率3.77GHz的微波输出,器件的功率效率21.8%,扣除阳极网透射率,在束波作用区功率效率为24.2%。另外,探讨了虚阴极向阳极网反射电子和阳极网引起的电子散射对器件工作特性的影响,设计了同轴波导无箔虚阴极振荡器结构,利用用带隙缝的厚阳极板代替阳极网,减小反射电子再次进入二极管区域和阳极网产生等离子体而对器件功率效率的影响。优化后,在导引磁磁场1.1T、二极管电压700kV、电流33kA的条件下,得到微波频率3.77GHz、功率2.6GW的模拟结果,器件的功率效率为11.3%。在实验室Torch-01加速器上对同轴波导虚阴极振荡器开展了初步的实验研究。给出导引磁场、不锈钢针状环形阴极、波导内置阳极网、反馈环以及微波辐射系统等部分的实验设计与加工结果;详细介绍了微波频率、输出功率以及辐射方向图的测量方法;当导引磁场为1.0T、二极管电压为671kV、电流为16.7kA、电子束脉宽为50ns时,得到频率4.30GHz、功率464MW、脉宽10ns的微波输出,微波为TM01主模式,器件的功率效率为4.1%;结合理论分析与粒子模拟结果对实验结果进行了分析。