W波段扩展互作用速调管电子光学系统由皮尔斯电子枪与均匀永磁聚焦系统组成，用于电子注的产生与传输。利用Vaughan迭代综合法及数值模拟优化设计了皮尔斯电子枪，并按照电子注传输特性要求研制了均匀永磁聚焦结构。根据电子光学系统的三维模拟，导流系数0.21 μP，注电流大于0.5 A，注平均半径小于0.3 mm，射程大于11 mm。永磁聚焦磁场约0.33 T，传输距离大于50 mm，电子注通过率达到100%。电子枪与聚焦系统已加工完毕并通过测试，技术指标满足要求。

为获取超快光脉冲信号，提出了一种基于光电子脉冲准线性展宽的高时间分辨二维成像技术。利用高频时变电场的线性工作区加速光电子脉冲信号，通过优化阴极激励源的电参数，选择光电子进入加速区的时刻实现光电子脉冲的准线性展宽。利用曝光时间100 ps的门控选通微通道板在脉冲展宽模块的记录面进行选通曝光成像，实现高时间分辨的二维成像。为改善系统的空间分辨和成像畸变，添加轴向聚焦磁场解决电子漂移区中由电子空间电荷效应引起的时间和空间弥散，对于能量4 keV、出射角0.1°的电子束，聚焦磁场的最佳强度为0.057 T，此时阴极中心位置的空间分辨可达5 lp/mm，阴极边缘位置空间分辨稍差。基于光电子脉冲准线性展宽技术，可将漂移距离50 cm，初始脉宽10 ps的电子脉冲展宽10倍，从而可将门控MCP探测器的时间分辨提高1个量级（即10 ps以内）。

研究了行波管中均匀聚焦磁场和周期永磁聚焦磁场对轨迹波动的影响。推导了这两种磁场下轨迹波动周期和幅值,讨论了磁场强度对轨迹的影响。解释了聚焦磁场存在小的波动的原因,并且通过计算得出小波动的周期为磁场周期的1/2,揭示了在周期永磁聚焦磁场下,电子轨迹近似等效于周期为周期永磁聚焦磁场1/2的小波动和均匀磁场形成的波动轨迹的叠加。利用电子科技大学编写的微波管模拟套装中的3维注-波互作用模块进行了静态轨迹计算,验证了理论推导。

国产45 MW速调管是在原国产30 MW HK-1型速调管的基础上改进和发展起来的,其聚焦磁场设计也是参照30 MW速调管聚焦磁场设计并在其基础上加工改造完成.为此必须对旧聚焦系统进行改造,设计出符合需要的磁场分布,以满足45 MW速调管工作的需要.首先从理论上找出速调管工作时的理想磁场值,根据该磁场分布设计出相应的线圈结构;其次根据45 MW速调管的结构尺寸,对30 MW速调管的线圈支架进行改造,利用旧线圈和新支架组成新的聚焦系统;最后,根据理论模拟和测试结果,调整和优化各组线圈的电流值,给出速调管工作时的各组聚焦电源运行参考值.叙述了新聚焦线圈的理论设计和测试分析,包括新线圈支架的设计、水冷系统与线圈的结构安排和整体的测试结果,最后根据速调管高功率测试运行状态给出速调管工作时的聚焦线圈电流的参考值.

研究了强流质子束在周期聚焦磁场通道中束晕-混沌的外部磁场自适应控制方法,给出了磁场控制方程.将该方法应用在多粒子模型中,实现了对4种不同初始分布质子束的束晕-混沌的有效控制,得到了消除束晕及其再生现象的理想结果.在强流加速器系统中,由于外部磁场是可测和可调的物理量,因此该控制方法有利于实验研究,可为强流质子加速器中周期聚焦磁场的设计和实验提供参考.

在2维小信号模型的基础上,分析了均匀和周期永久聚焦磁场对抑制返波自激振荡的影响.研究结果表明:改变聚焦磁场的幅值或周期来增加起振长度是可能的, 而且不会改变基波的互作用条件.与此同时,对起振长度、初始非同步速度参量随皮尔斯增益参量、空间电荷参量、损耗参量等的变化,以及在超宽带行波管中当存在两个或多个角向非对称空间谐波时,起振长度、初始非同步速度参量随周期永久聚焦磁场的变化进行了研究.优化设计聚焦磁场、电子注和螺旋线慢波系统的参量可以对螺旋线行波管的稳定性分析提供必要的依据.