采用微波诊断技术对气压300 Pa, S波段HPM条件下形成的低温、弱电离、非均匀和强碰撞大气等离子体特性参数开展了初步诊断研究。获取了9~15 GHz连续波穿过HPM等离子体区域的透射波形, 并对波形进行了归一化处理; 通过不同频率微波的透射特性, 假设等离子体电子数密度分布呈Epstein分布, 分析了可能的电子数密度最大值。该研究成果的获取为HPM大气等离子体在隐身、阻断信息链等方面的应用提供了重要的技术支撑。

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性, 并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子, 然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束, 当输入腔间隙电压分别为4.6, 32.7, 189 kV时, 采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系, 理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时, 理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16 以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明, 随着多注电子数的个数和电子束半径的增加, 基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时, 归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

为了探索相对论速调管放大器(RKA)的小型化技术, 开展了同轴RKA周期永磁聚焦的物理与设计技术研究。周期永磁聚焦系统采用Halbach阵列结构, 产生的磁场类型为周期性会切磁场。首先给出该系统的磁场各个分量的表达式, 分析该系统磁场分布的特点, 并推导得出该系统聚焦强流环形电子束的稳定条件。根据该稳定条件, 对Ka波段同轴RKA设计了一个周期永磁聚焦系统, 并优化了周期磁场参数, 确定了磁场系统设计的最佳周期和幅值。研究结果显示, 周期永磁(PPM)聚焦系统在周期长度18 mm和磁场幅值033 T的条件下可引导500 kV、6 kA的同轴RKA, 得到1 GW的微波输出功率, 物理分析确定了周期永磁聚焦系统应用于高功率同轴RKA的技术可能性。

采用一维自洽束波互作用的非线性理论，探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性，并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子，然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位，幅度的相对误差为0.07%，相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式，对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束，当输入腔和中间腔间隙电压分别为14，315.2 kV，输入腔和中间腔相位差为90.59°时，采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数，中间腔之前处于线性区，理论值与模拟值比较一致；在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降，理论值与模拟值之间的差距较大；中间腔之后处于非线性区，对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置，理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时，计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。

为了有效提高器件输出微波相位的稳定性，对S波段强流相对论速调管放大器输出微波相位特性开展了理论研究和优化设计。理论分析结果表明，束流发射和传输均匀性、腔内杂频和强流脉冲电压波动是影响器件输出微波相位稳定性的重要原因，通过优化二极管结构，增加吸波材料以及优化腔体结构和参数等手段可以有效地减小上述因素对输出微波相位稳定性的影响，提高器件工作的稳定性。对优化后的器件开展了实验研究，得到单台单次输出功率GW量级基础上，100 ns内相位标准差约10°，单台重频5 Hz工作输出微波相位标准差约20°，两台同时工作输出微波相位差抖动约20°的结果，满足了实际应用的需求。

提出了一种同轴双环形阴极结构二极管，并进行理论求解和仿真研究，得到了双环形阴极二极管中，内外环上场强一致时二极管内尺寸分布关系。并采用粒子仿真软件进行了双环形阴极爆炸发射模拟研究，研究结果表明，双环形阴极发射束流由高压加载后初始时刻二极管内电场分布和内外环形阴极相互之间屏蔽作用的竞争结果决定。提出了两阴极相互之间屏蔽作用的经验公式，指出该相互屏蔽作用程度随发射总束流呈线性关系，随两阴极距离呈指数关系，最终采用粒子仿真软件进行了验证。

在相对论速调管放大器(RKA)的探究实验中, 多注RKA中电子束的打斑实验结果表明各注电子束的发射电流大小和横截面形状分布不一致甚至有很大差异影响了RKA的工作稳定性。通过粒子模拟软件对该问题进行相关仿真研究, 探究多注阴极几何尺寸分布不一致对发射电流分布的影响。仿真结果表明, 单注电子束阴极尺寸, 尤其是横向尺寸的差异是影响多注电流大小分布不一致的主要因素, 而且横向尺寸还将影响到多注电子束横向电子束形状, 该研究对多注RKA的实验研究与优化设计具有指导意义。