设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式, 采用两段式慢波结构构型, 在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取, 以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔, 引入电子束预调制, 进一步加深电子束调制深度, 提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度, 进一步优化器件内部场分布, 提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强, 器件工作效率可提升至35%。最终, 当磁场强度0.6 、二极管电压490 V、二极管电流7.5 A时, 获得1.27 GW微波输出, 效率约35%, 微波频率为14.7 GHz。

介绍了2.5维自主研制的并行电磁粒子模拟程序NEPTUNE2D初步研发情况。该程序基于JASMIN并行自适应结构网格支撑框架研制，并行效能高，可扩展性强，且支持动态负载平衡；采用新型PIC算法替代传统算法，避免求解泊松方程修正电场，更适用于大规模并行计算；程序支持r-z坐标系下的器件仿真，可应用于高功率微波器件、电真空器件的快速模拟设计。该程序现已完成电磁场更新、粒子推进、电磁场注入/引出、粒子发射/吸收等基本物理功能模块的研制，并通过同轴线、圆波导、同轴二极管及无箔二极管算例模拟验证了模块的正确性。最后，应用NEPTUNE2D程序设计了一个高效同轴相对论返波管，给出了粒子模拟结果和并行性能测试结果。

设计了一种能在C波段和X波段实现稳定双频输出的带有非对称谐振反射腔的单电子束同轴相对论返波振荡器。采用耦合阻抗跃变型慢波结构, 使用粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示: 轴向电场在系统中的分布得到改进, 电子束的能散得到改善。在电子束电压511 kV, 电流8.95 kA, 引导磁场0.73 T的条件下, 双频器件实现了8.09 GHz和9.91 GHz的双波段频率稳定输出, 平均功率为1.0 GW, 波束互作用效率为21.9%, 效率高于空心双波段返波管及其他双波段器件。器件辐射功率的拍频为1.82 GHz, 拍波更为明显和稳定。模拟研究中同时发现, 随着慢波结构之间漂移段的变化, 双频频率都呈现一种准周期的变化。

提出了一种能在X波段实现稳定双频输出的带有谐振反射器的高效率同轴相对论返波振荡器，并使用2.5维全电磁粒子PIC模拟软件进行了粒子模拟研究。模拟结果显示：在电子束电压520 kV、电流8.5 kA、轴向引导磁场2.35 T的条件下，器件实现了9.41 GHz和10.29 GHz的稳定双频输出，平均输出功率为1.35 GW，波束互作用效率为30.5%。此外，双频频谱及双频中较小的频率随着漂移段的变化而准周期地变化，实现了带宽约400 MHz的频率捷变输出。

根据同轴相对论返波管的特点建立了物理模型, 采用时域有限差分法研究了同轴相对论返波管中波束作用过程。研究表明:同轴相对论返波管中波束作用的输出效率与两端反射系数密切相关, 而且其内部场分布特点对于提高输出效率非常有利。经过优化设计, 利用 500 keV, 4.0 kA 电子束流, 微波起振时间为7 ns, 输出效率大于38%, 与以往数值模拟和实验结果符合较好。根据计算结果进一步分析得到, 与空心相对论返波管相比, 同轴相对论返波管中空间电荷效应的影响较小。

根据线性理论推导同轴相对论返波管色散方程和线性增长率,分别给出了波纹深度和波纹周期改变对于同轴相对论返波管线性增长率的影响规律,发现在一定范围内,减小波纹周期或者增大波纹深度能够降低结构波相速度,获得较大的线性增长率。