束半径可调的强流环形电子束在跨波段跳频高功率微波产生器件中有重要应用。提出了一种改变外加引导磁场位形从而改变环形强流电子束半径的技术。该技术的核心部件由环形阴极、阳极、电子束转移通道、电子束传输通道和三段螺线管组成。当三段螺线管的通流的电流大小不一样时，该螺线管系统就能产生不同位形的磁场。在粒子模拟中，当三段螺线管的通流电流大小分别为1025 A、107 A、107 A和300 A、300 A、0 A时，螺线管产生两种不同位形的磁场，实现电子束半径的改变。从单粒子运动理论出发，本文推导出电子束在梯度磁场引导下的运动轨迹表达式，解释了电子束半径在梯度磁场下变化的原理，还研究了梯度磁场的斜率和极差对电子束轨迹的影响。在跨波段器件仿真中，X波段输出功率为1.6 GW，频率为8.2 GHz，效率为40%；Ku波段输出功率为1.5 GW，频率为14.4 GHz，效率为38%。

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。

选取两种不同成分的石墨材料(普通石墨和掺铜石墨)分别设计制作了用于电子显微镜实验的阴极样品和用于重频长脉冲高功率微波产生实验的阴极, 并开展了初步实验研究。实验结果表明:掺铜石墨与普通石墨在微观结构方面存在明显不同, 且掺铜石墨阴极在发射性能、微波脉冲宽度和微波脉冲后沿离散性等方面可能优于普通石墨阴极, 但优势并不明显, 还待在以后的实验中进一步验证。

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。

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率, 工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法, 比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点, 结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强, 但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中, 在单次运行条件下, 输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns; 在20 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz, 主模为TM01, 效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

设计了一种C波段谐振式相对论返波振荡器, 分析了其结构特点和工作的物理机制。利用粒子模拟方法研究了器件的工作特性, 发现插入段长度和反射器半径的选取对该类器件的效率非常关键; 在二极管电压为0.5～1.0 MV范围内, 所设计的器件的效率为20％～25%, 频率保持在4.25 GHz附近。结合对器件实际高频结构的电动力学特性分析, 重点研究了纵向谐振模式、品质因数等特点, 结果表明该器件工作在2π/5模、品质因数约为100时功率效率最高。在此基础上, 解释了谐振式相对论返波振荡器具有适用的电子束范围宽、频率稳定等特点的原因, 并对该类器件的相关设计原则进行了分析验证。

利用脉宽调制技术, 设计了一台为高功率微波源提供导引磁场的脉宽调制型励磁电源, 它可在励磁线圈中产生一定持续时间的准稳态强磁场。励磁电源的储能部分采用容量15 F、最高充电电压800 V的储能密度较高的超级电容器, 最大储能为4.8 MJ, 内阻小于0.25 Ω。在储能电容充电645 V的情况下, 对电感约为60 mH、电阻约0.40 Ω的励磁线圈进行了励磁实验, 获得了持续时间为1.9 s、幅值为900 A准稳态电流, 电流波动幅度为5%, 对应线圈中的最大轴向磁场为2.2 T。实验结果与理论计算基本一致, 表明所研制的励磁电源达到了设计要求。