结合实验模型，对 0.22 THz折叠波导行波管 (FWG-TWT)的电子光学系统进行数值模拟验证。首先对电子枪的工作机制进行细致研究和仿真验证，然后对电子光学系统(包括电子枪和周期永磁聚焦结构两部分)进行一体化建模，结合实际，合理设置仿真模型的工作参数及边界条件等。分析影响电子注流通率的关键因素，调整结构参数和束流参数，提高电子注的直流流通率。

在研究0.14 THz折叠波导行波管中, 提出一种三段相速跳变的设计, 使得电子能够在输出段与行波场发生速度再同步, 从而提高了电子工作效率。根据色散公式, 找到一种影响相速变化的结构因素。通过优化设计进行大信号程序计算, 在电压14.95 kV、工作电流30 mA时, 与未采用相速变化的结构相比, 140 GHz时功率提高了0.84 W, 效率提高了9.13%; 在142 GHz时功率提高了0.88 W, 效率提高了10.4%; -1 dB带宽由原来的5 GHz提高到7 GHz, 扩展了行波管的带宽, 提高了电子与波的互作用效率。

介绍了一种D 波段连续波行波管放大器。该行波管采用了高压缩比皮尔斯会聚电子枪、折叠波导慢波结构(FWSWS)、蓝宝石输能盒形窗、周期永磁聚焦系统、集中衰减器以及一级降压收集极，经过装配、焊接、排气、磁场调试等过程，得到了D 波段连续波放大器样管，并进行了流通率的调试和信号放大的测试。实验测试结果为：电子电压15.4 kV，电子流通率97%时，连续波输出功率7.3 W，中心频率140.2 GHz，增益24.6 dB，3 dB 带宽3 GHz。该放大器连续运行稳定，满足工程化要求。

对于太赫兹微电真空折叠波导行波管 (FWG-TWT)放大器，高流通率是试验测试中首先需要达到的技术指标，是器件连续工作时高效束.波互作用的前提。电子光学系统包括电子枪、周期永磁聚焦系统 (PPM)和收集极。本文通过对电子枪的高品质束流的产生、 PPM对束流的聚焦 2个方面研究束流的直流流通率。首先依据 Vaughan迭代综合法初步选定电子枪的基本结构尺寸，然后通过粒子跟踪程序及PIC程序对电子枪的结构参数进行仿真优化，初步实现了 0.345 THz FWG-TWT放大器所需的束流品质；进行了电子光学系统的电子枪和 PPM的一体化数值模拟，研究了电子的直流流通率，最终流通率模拟结果达到 100%。

为了获得0.22 THz宽带折叠波导行波管，对行波管的慢波结构和输入输出窗结构进行了宽带设计。通过理论分析和电磁仿真计算出合适的参数，使慢波结构在0.22 THz工作点附近的色散曲线平坦，耦合阻抗变化小，模拟计算得到的慢波结构3 dB带宽大于16 GHz；通过对盒型窗结构及匹配段的优化计算，得到的输入输出结构在大于30 GHz范围内S11参数小于-25 dB。根据该设计进行了两轮制管和实验研究，得到了一支3 dB瞬时带宽约8.8 GHz，另一支3 dB瞬时带宽大于12 GHz的0.22 THz折叠波导行波管，中心频率的峰值功率大于400 mW。

设计了一套0.22 THz折叠波导行波管电子光学系统，详细介绍了电子枪和周期永磁聚焦系统的设计过程，在电子枪电子束束腰与磁系统不匹配情况下，对磁场过渡区进行了优化设计，以此为基础利用磁场仿真软件对磁场进行模拟和优化，并把磁场位形代入电磁仿真软件进行电子束传输仿真，优化后的电子光学系统发射束流10 mA，阴极电压15 kV，束流通过率96%。通过实验验证，流通管束流通过率93%，高频样管束流通过率94%，与设计相符。高频样管实现连续波运行，功率大于0.4 W，3 dB带宽大于12 GHz。

以折叠波导作为为慢波结构进行研究分析,利用三维电磁仿真软件HFSS和CST,对0.14 THz行波管模型进行了折叠波导慢波结构、电子光学系统和输入输出窗等的模拟设计,并完成了整管的PIC注波互作用的仿真计算与优化。进行了整管的焊接工艺设计和热测实验,研制出的样管在电压15.4 kV、电流17.4 mA下,脉冲工作输出最大功率为8.3 W,输出中心频率为140.8 GHz,最大增益为28 dB,-3 dB带宽为2.9 GHz。

探索性试验了多种微加工技术加工设计频率0.22 THz的折叠波导慢波结构，最终选择了微铣削工艺进行加工，并测试了微铣削工艺加工的WR4标准直波导的损耗特性，得到了0.22 THz电磁波在无氧铜中传播时材料的相对电导率约为3.2×107 S/m。以此为基础设计和制得了国内第一支0.22 THz折叠波导行波管，经过测试和标定得到输出功率大于100 mW，带宽3.5 GHz的初步实验结果。

为了提高射频四极场加速器(RFQ)的束流传输效率, 需要对纵向分布不均匀的极间电压进行补偿, 并且准确测量束流实验中极间电压的绝对数值。考虑到极间电压分布不均匀是由于分布电容和端部效应造成的, 而采用调谐块可以调节分布电感, 通过电磁场数值模拟研究了调谐块对极间电压分布的影响, 最终极间电压的平整度被调整到优于95%。在束流实验中, 通过测量轫致辐射谱测定了极间电压的数值, 通过束流动力学模拟研究了多能峰产生的原因, 并最终标定了70 kV极间电压对应的输入功率值284 kW。