虚阴极振荡器（Vircator）是一种空间电荷器件，这一名称的来源是由于它与以前学过的所有器件不同的工作原理，在空间电荷器件中，微波的产生过程与强烈的空间电荷效应以及由此形成的虚阴极密切相关。

空间电荷器件主要有虚阴极振荡器、反射三极管（Reflex triode）、Reditron等，不过，人们更多地将它们统称为虚阴极振荡器，因为其他种类的空间电荷器件也都可以看做是虚阴极振荡器的改进型。

虚阴极振荡器的结构十分简单，它的基本组成部分仅有阴极、阳极和输出波导（包括输出窗），图1-1给出了微波能量轴向输出和横向输出两种虚阴极振荡器的结构示意图。

虚阴极振荡器结构简单，输出功率大，而且易于调谐，辐射微波的频谱十分宽，单一的虚阴极振荡器甚至能产生1~2个倍频程频谱范围的微波辐射；而采用不同的可调谐虚阴极振荡器可以连续覆盖从0.5GHz到10GHz的频率范围。虚阴极振荡器也不需要聚焦磁场、质量小，而且能产生us级宽度的微波脉冲。虚阴极振荡器在低阻抗条件下的工作能力使它可以在一些特殊场合下具有优势，比如可以直接以低阻抗、高储能的爆磁压缩发生器作为驱动源产生高功率微波辐射，微波弹就是这种应用的一个典型例子。虚阴极振荡器的缺点是它的效率很低，一般只有1%，辐射微波的模式杂，频谱太宽，难以做到单模、单频振荡。

虚阴极振荡器的工作基础是虚阴极的形成。

在一般情况下，阴极的发射电流将随阳极电压的提高而增加，但由于电子带有负电荷，在阴极-阳极空间形成负空间电荷，将导致阴-阳极空间各点电位都比无空间电荷时有所下降。当进一步提高阳极电压，阴极发射电流达到一定程度时，空间电荷密度引起的电位下降可以使阴极表面场强为零，这时如果不考虑阴极发射电子的初速度，则阴极就不可能在继续发射，或者说，阳极电场与空间电荷场达到平衡，阴极电流也只能维持在一定值上，而不能再增加。如果考虑到阴极发射的电子具有初速度，则在阴极表面零电场时就仍会有电子发射，使进入阴-阳极空间的电子略有增加，空间电位就会进一步下降，以致在空间某个位置会出现负的电位。该负电位在阴极表面产生了一个负电场，它将拒斥具有初速度的电子离开阴极表面继续进入空间，阴极电流再次达到平衡状态而不能再增加，阴极发射受到空间电荷限制所能达到的平衡态电流称为空间电荷限制流。在相对论器件中，电子束做一维运动时，空间电荷限制流Iscl可以这样来计算，即

与阳极电压的关系见式: ，G为几何因子，对于在半径为R圆形漂移管内，平均半径为rb的薄环状电子注，有

而对于半径为rb的实心电子束，有

如果阴-阳极空间是外半径R、内半径ri的同轴型区域，那么对于平均半径为rb的薄环状电子束，有

当电子束电流达到或略大于空间电荷限制流时，就会使阴-阳极空间形成一个电位为零甚至为负的区域，该区域就称为虚阴极。由于电子从阴极发射时的初速度是零散的，具有零初速度或初速度较小的一部分阴极发射电子，前进到虚阴极位置时，其能量不足以克服虚阴极的势阱，就会被反射回来，同时，也会有一部分初速度比较大的电子能越过虚阴极势阱而继续向阳极运动；更多的电子则会停留在虚阴极位置。反射电子和透射电子的离开导致虚阴极处空间电荷密度降低，空间电位升高，同时虚阴极位置也向阴极靠拢；虚阴极电位的升高使透射电子增加，将使阴极会有更多电子发射出来补偿损失的电子，引起空间电荷增加，虚阴极电位又降低，位置又向阳极偏移；这一变化的结果又引起反射电子的增加…….，如此反复，虚阴极电位和位置就随时间不断变化，形成振荡。由于阴极发射电子的初速度和反射、透射电子的数量都在一定范围内具有随机性，因此虚阴极这种电位和位置的变化也是不规则的。

反射电子在阴极和虚阴极之间的来回振荡，以及虚阴极本身的电位和位置的振荡，就会辐射电磁波，而且这种电磁波一般都处在微波波段，这就是虚阴极振荡器产生微波辐射的基本机理。当然，虚阴极振荡产生的电位波动也会形成对反射电子束和透射电子束的调制，这种调制进一步增强了电子束与高频场的能量变换。

虚阴极振荡的频率接近相对论等离子体频率，即

式中，fp为相对论等离子体频率，单位为Hz；ne为电子束通过阳极时的电子密度， ；e和m0为电子电荷和电子静止质量； 为自由空间介电常数。换算成实用单位制，上式就可以写成

式中， 单位为GHz，J为电子束面密度，kA/cm； ，ve为电子速度。在非相对论情况下， ， ，则根据平板二极管3/2次方定律，虚阴极振荡频率就可以写成

而在强相对论情况下，ve接近光速c，所以 ，则 ，于是得到

除了虚阴极自身的振荡外，业已指出，被俘获在阴极和虚阴极之间的势阱中来回反射的电子会发生群聚，它们的辐射频率为

式中，T为电子经历一次反射所需时间，d为阴-阳极间隙。采用实用单位制，则上式成为

d的单位为cm。

通常fVC>fR ，典型的关系是fVC∝2fR。不过，无论是在非相对论还是在强相对论情况下，振荡频率与电压的微弱关系以及与d的反比例关系都在实验中得到了证实。

在没有采用谐振腔来固定虚阴极振荡频率，压缩其频谱宽度的情况下，虚阴极振荡器的带宽主要受电压的不稳定、阴-阳极间隙中由等离子体引起的缩短及电子的横向能量（横向能量与虚阴极的振荡辐射不相关）等因素影响。因为虚阴极振荡频率与电压和间隙有关，所以带宽同样也取决于这两个量的变化。在非相对论情况下，利用幂级数展开式，由式不难得到

当脉冲功率源二极管中的等离子体造成阴-阳极间隙缩短时，就会导致微波频率在脉冲持续时间中随着d的不断减小而逐渐上升，频率的这种变化使器件没有时间达到产生微波的最佳状态，降低了器件的效率和增益。因此，在虚阴极振荡区加上谐振腔以压缩频率变化范围，可以使增益和输出功率得到明显改善，而带宽缩小了2/3。

在普通轴向输出的虚阴极振荡器中，微波模式以模为主，而且优先模应该在截止频率附近，在经圆波导喇叭天线辐射，这种结构简单易行，但TM模实用性不大，且微波频谱过宽。

如果将轴向提取改成横向提取，则电子束在过模矩形波导宽边注入波导并形成虚阴极，因此虚阴极激发的电场垂直于波导宽边，使得输出模式成为具有很高纯度的模，高次模式的功率小于10%。

为了克服虚阴极振荡器的一些不足，进一步改善和提高虚阴极振荡器的性能，人们先后对虚阴极振荡器进行了各种改进。

为了清除反射电子的不规则运动及零散给微波辐射带来的模式杂乱和频谱过宽，人们提出了Reditron，采用开有环形窄缝的厚阳极来代替原来的金属泊或栅网阳极，由于反射电子运动方向的不规则，一般都具有径向速度，这就使得它们不可能通过阳极窄缝再返回阴-阳极空间，而只能打上阳极，反射电子几乎全部消失，提高了虚阴极的辐射效率。

为了提高虚阴极振荡器的效率，一种称为反射三极管的方案得到了发展，在该器件中，高压馈入部分的中心导体成为了阳极，因此它加上的是脉冲正电位，而普通虚阴极振荡器的中心导体是阴极，加的是脉冲负高压；反射三极管的阴极位于圆波导壁上，使它本身就成为了高频系统的一部分，在阴-阳极空间就会存在有高频场，可以对阴极发射的电子束进行调制，从而使器件效率可以提到到超过10%。

图1-2给出的是Reditron和反射三极管的结构示意图。

基于同样的思想，有人提出可以专门将虚阴极振荡器产生的部分高功率微波反馈到二极管区来对电子进行调制，据称效率可以达到17%，这种器件称为反馈虚阴极振荡器（Virtode）。

为了使虚阴极振荡器能具有频率稳定的窄带输出，科学家们采取了各种锁频锁相的方法，其中最简单、实用的就是谐振腔锁频，让虚阴极振荡在谐振腔中激励微波，得到窄带、单模输出。