提出采用分段变参数型折叠波导慢波结构提高器件增益的新方法。结合小信号理论分析和束-波互作用的三维PIC数值模拟，进行分段变参数型慢波结构的理论设计研究。通过0.345 THz两段式折叠波导慢波结构的设计实现和模拟验证，结果证明,相同的电子注工作条件下，两段式慢波结构的电子转化效率和饱和功率相对于传统均匀型慢波结构提高了94%，并可以推广应用到多段式。

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。

中国工程物理研究院基于超导射频直线加速器的谐振腔型太赫兹自由电子激光(CTFEL)于2017年8月29日16时首次饱和出光，并稳定运行，中心频率2.56 THz，谱宽1.9%，宏脉冲平均功率大于5.7 W。

针对中物院高功率太赫兹自由电子激光(THz FEL)装置, 结合目前FEL实验的实际情况, 完成了THz波段波导光腔对光腔品质影响的理论分析和模拟计算, 确定了不同频段实验所需合适的波导间隙。理论分析与数值模拟表明, 光腔加入波导管后减少了腔损耗, 使腔内增益提高约30%。完成了不同波导间隙在不同频段的影响计算, 并确定了不同频段合适的波导间隙。进一步考察了波导间隙在14 mm和22 mm时对光腔质量及品质的影响。

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程, 基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析, 建立了一个简化的集总电路模型, 获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集**量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压, 进一步拟合为正弦平方函数, 峰值为3.3 MV(当前驱动器充压为65 kV), 零到峰值的时间长度为102.5 ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟, 得到了与实验结果符合的负载电流波形, 尤其电流波形的前沿和峰值符合较好, 分析了电磁能转化为负载动能的过程。

为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65 kV时,大约1 MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的0121发实验负载区电流上升时间(0~100%)为450 ns、峰值约6 MA。

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%。

在对中国工程物理研究院高功率太赫兹(THz)自由电子激光(FEL)装置理论分析和设计的基础上，针对目前THz FEL光腔设计面临的主要难点，提出了椭圆型耦合输出光腔的设计方案，并对椭圆型耦合输出光腔代替传统FEL光腔的优势、光腔品质、耦合效率等进行了分析研究。研究表明，椭圆型耦合光腔的设计更适合目前THz FEL波导光腔的光斑特点，可使光腔输出功率提高33%以上，输出耦合效率即光腔品质可提高30%~70%;随着辐射频率的提高，椭圆孔耦合输出光腔的优势提高更为明显。

在1~3 THz频段内设计了11个分点频率, 对每一频率的对应的场强和电子束能量进行了选取和计算。模拟结果表明:采用目前参数基本能够达到设计要求;辐射频段在2.6 THz附近时装置输出功率和增益都比较高, 可以先锁定这个频段附近进行实验的调试;在长波段即1 THz左右时, 滑移效应显著, 腔增益和输出功率较低, 实验实现比较困难, 因此在1 THz频段附近必须积极想办法来提高输出功率。