利用粒子模拟的方法设计了一个高功率毫米波发生器，并对其进行了实验研究及改进。采用过模慢波结构以增大束波作用空间，从而提高功率容量；为实现过模慢波器件的单模、单频工作，选择TM01模的π模作为工作模式。采用过模慢波结构，结合合理的器件结构设计，可降低器件工作所需的导引磁场。实验在TORCH-01加速器平台进行，产生的微波频率由色散线法测量，其功率由远场积分法得到。最初的器件采用矩形波纹慢波结构，得到频率为33.56 GHz、功率约110 MW的微波输出，但功率难以进一步提高，脉宽仅为7~8 ns，且在慢波结构边沿发现击穿痕迹。对矩形慢波结构进行倒圆角处理后，借助数值模拟，发现其TM01模的π模频率变化不大。改进后的器件在0.8 T导引磁场下，当电压和电流分别为590 kV与5.2 kA时，实验得到频率33.56 GHz、功率320 MW的毫米波输出，微波模式为准TM01模，效率约10%，脉宽延长至约13 ns，器件内表面无明显击穿痕迹。

从物理机制上定性地分析了导致脉冲缩短的主要原因, 给出了长脉冲重复频率运行下的相对论返波振荡器(RBWO)设计原则。结合传统谐振式返波振荡器的基本设计理论, 设计和模拟优化了工作在S波段的长脉冲RBWO, 并利用本实验室现有长脉冲脉冲功率驱动源开展了S波段长脉冲RBWO的实验研究。实验结果表明: 在单次运行条件下, 微波输出功率达到约2 GW、脉宽约90 ns; 在10 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到约1 GW、脉宽约100 ns。器件产生的微波频率为3.6 GHz, 输出模式为TM01模, 效率约20%。对实验结果分析表明, 器件截止颈和第一个慢波结构结合处的爆炸发射是导致脉冲缩短的主要原因之一。

提出了将传统单个储能电感利用传输线分隔成两部分的新型电感储能脉冲功率驱动源技术方案。理论分析表明,利用传输线电容的耦合延时作用,可有效对调制器输出脉冲波形进行整形,并且可以进一步提高能量转换效率,从而克服传统电感储能脉冲功率源输出波形质量差(类三角波波形)的缺点。基于该思想开展了实验研究,获得了电压约300 kV,电流约20 kA的电子束,并成功驱动S波段磁绝缘线振荡器获得了百MW量级的微波输出。

对一种由弱变和强变结构组成的锥形磁绝缘线振荡器的频率特性进行了分析。通过对实验中出现的跳频现象和腔体特性分析对比研究表明,跳频后出现的新的工作模式也属于近π模,但其场结构和稳定π模的场结构明显不同。通过改变提取部分慢波叶片周期开展的验证性实验也表明了分析的正确性。研究表明,匹配的驱动平台、良好的二极管真空度以及合适的二极管位置是锥形磁绝缘线振荡器能够稳定运行的保证。

提出了一种具有预调制腔、主谐振腔和提取腔组成的多腔轴向提取虚阴极振荡器结构。腔体特性分析表明其在工作频段可以获得更高的提取效率。粒子模拟显示该结构在电压700 kV,电流23 kA的条件下,可输出功率大于1.7 GW,频率4.0 GHz,功率效率大于10％的微波。初步的实验研究获得了辐射功率约700 MW,频率约4.1 GHz的微波输出。对实验结果的进一步分析表明,通过适当加大器件虚阴极振荡工作区微波管直径的方法可以有效改善器件的谐振性能,从而获得更好的工作性能。

提出了一种由弱变锥形主工作区和强变锥形提取区组成的锥形磁绝缘线振荡器结构。该结构主工作区采用弱变结构，在保持频率基本不变的情况下，可有效增加群速度，利于微波提取。模拟结果表明：该结构可以在二极管电压500 kV、电流32 kA的条件下稳定输出平均功率2．5 GW、频率为2．65 GHz的微波；实验上也获得了GW级、频率为2．69 GHz的微波输出。

对一种由弱变和强变结构组成的锥形磁绝缘线振荡器进行了长脉冲实验研究.在二极管电压350 kV左右、电流约25 kA、脉宽约128 ns的条件下,获得了500 MW、脉宽约90 ns的高功率微波输出.对波形中出现的拐点进行了分析,研究表明:二极管电压波形好坏会对微波源的性能造成严重的影响,较好的电压波形是实现长脉冲运行的关键.同时对采用不锈钢平面负载、不锈钢丝网状负载以及石墨负载电子收集极进行了实验研究,研究表明采用石墨收集极可以输出较好的微波波形.

在SPARK-04强流相对论电子束加速器上,对轴向反馈式虚阴极振荡器进行了实验研究,并采用远场测量方法对其激励的高功率微波辐射进行了测量,测得了微波辐射主模及辐射功率.结果表明:微波辐射主模为TM₀₁模,辐射功率大于500 MW,微波转换效率大于3%,辐射频率约3.6 GHz,微波脉宽大于20 ns.同时,采用单反射面Vlasov天线,实现了该器件所激励高功率微波的定向传输.

利用简单的理论和电路模拟的方法,分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象.研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素.由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化.在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中,由于回路充电频率低,预脉冲电压幅值很小,只有kV量级.在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中,将预脉冲开关去掉进行了实验,并与有预脉冲开关的情况进行了对比,结果发现无预脉冲开关的情况下,不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量.