提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器（RBWO），其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构，较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分，插入同轴避免了高阶模式的竞争，使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时，插入同轴还起着模式转换的功能，将TM₀₂转化为TM₀₁，最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离，同时为电子束提供足够的预调制，实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计，在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下，获得了3.5 GW的微波输出功率，微波中心频率为9.46 GHz，转换效率约为35%。

返波振荡器是一种重要的真空电子学太赫兹源，具有高功率、高工作频率和宽带调谐等特点。为提高圆形电子注与光栅慢波结构的互作用，提出一种双电子注嵌入矩形光栅的慢波结构，使电子注与光栅表面电场更好地充分相互作用，从而提高互作用效率和输出功率。通过数值求解和仿真计算其色散特性，结果表明，相比于相同结构参数的普通矩形单栅，该结构可以实现更高的工作频率和耦合阻抗。利用CST 进行PIC 仿真，优化结构和电子注参数，最终得到工作频率501 GHz,10.6 W 的稳定输出。研究成果为设计0.5 THz 的返波管提供了理论指导。

为实现高功率微波(HPM)系统的小型化，设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。针对低磁场特点，分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响，通过模拟软件(PIC)优化结构。以此设计引导磁场为0.24 T，电子束束压为725 kV，束流为6 kA，频率为3.53 GHz，输出微波功率为1.22 GW，束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。仿真实验结果表明：在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时，得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出，与理论值一致。进行了重频为1 Hz，20 s的稳定性实验，该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。

采用计算机模拟的方法对一种基于双排矩形波导慢波结构(SDRWS)的340 GHz返波管进行详细研究。首先对返波管所需的电子枪和永磁聚焦系统进行计算机模拟，结果表明，永磁聚焦系统与电子枪相结合，能够产生并维持14~17 kV，43.4 mA的电子注和18~21 kV，56.1 mA的电子注，且电子注电压在14~21 kV之间时，电子注在慢波结构区域的最大半径小于0.08 mm，半径波动最大值为0.034 mm。利用所计算的电子注，对基于SDRWS的340 GHz返波管进行互作用计算，结果表明，当电子注电压在14~21 kV之间调谐时，输出电磁波在326~352.6 GHz之间，输出功率大于2 W。同时，SDRWS的电子注通道半径为0.09 mm，相对较大，降低了返波管的制造难度。

为实现基于相对论返波管振荡器的高功率微波相干合成, 开展了针对锁相的低磁场返波管优化设计。通过优化中间调制腔的位置, 降低工作模式的 Q值, 达到降低种子微波功率的目的。以外注入微波锁相方式为例, 优化后的器件锁定增益大于 20 dB, 20 MW的注入微波功率即可实现对 GW级的微波输出的相位控制。研究结果对调制电子束锁相也具有参考价值。

提出了一种返波管频率稳定性快速检测方法。利用一个抛物面镜对返波管辐射信号进行收集和准直，然后将探测器放置在准直平行光束的后方进行检测，并使所测信号经示波器显示和读出。根据法布里-珀罗干涉原理估测返波管的单频频率输出稳定性。本文方法对于提高基于返波管的频域高分辨率太赫兹波谱系统的性能具有重要的应用价值。

对Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍，详细分析了该器件以TM02模工作的模式选择机制。通过粒子模拟，该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出，工作模式及频率与理论设计相一致。随后，基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究，当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时，获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致，但是微波功率与数值模拟结果有明显差异，并且微波脉冲后沿有明显的缩短，分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管（RBWO），主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离；同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。

近年来热阴极特别是钪系阴极得到充分发展，有望成为高功率微波的电子源。提出一种基于热阴极的新型“面包圈”式电子枪模型，以此电子枪作为相对论返波管的环形电子束发射源。通过仿真软件 CST PARTICLE STUDIO对模型进行仿真验证，所得电子枪发射电流为 786 A，阴极发射电流密度为30 A/cm2，电子束密度为 305 A/cm2，电子通过率为 99.9%。最后对热阴极在高功率微波器件中的应用进行了初步探索。

从抑制强场击穿的角度出发，结合传统理论和相关粒子模拟方法，设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中，利用强流相对论电子束的空间电荷场效应，将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证，实验结果表明，通过合理的结构设计，在功率3 GW级水平下，C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中，当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时，在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW，微波脉冲半高宽约101 ns，功率转换效率约41%，实验结果与模拟结果吻合较好。