数值模拟并给出了测量距离、积分角度范围和E面、H面等化性对辐射场积分功率的影响。基于X波段大功率微波源、20 dB标准喇叭以及680 mm辐射喇叭，开展了测量布局对辐射场积分功率的影响大功率验证实验研究。此外，基于X波段9.3, 9.7 GHz相对论返波管，开展了测量布局的高功率应用实验研究。研究结果表明: 尽管测量距离不满足远场条件，但只要辐射喇叭E面、H面的等化性较好，通过足够的积分角度范围控制，也可以得到较为准确的辐射场功率测量结果。

理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。

相对论返波管(RBWO)高频结构表面微凸起结构导致的表面场致电子发射会加速或加剧射频击穿过程,引起RBWO功率容量下降。为提高现有RBWO的功率容量,给出了RBWO高频结构表面场增强的抑制方法,对一种X波段RBWO表面进行了精密工艺处理后,将表面粗糙度降低至未经表面精密处理时的1/40以下,有效降低了高频结构表面场增强因子,减小了结构表面场致发射电子的能力。进一步开展的高功率微波实验研究表明,抑制表面场增强后X波段RBWO的功率容量提高了25%。

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键.结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87 GHz.

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明：引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用；大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区；增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。

对强磁场相对论返波管系统中电子束收集极损伤的主要影响因素进行了分析,通过设计并使用锥面不锈钢收集极,提高了收集极的耐电子束轰击能力。在单次实验条件下,研究了电子束能量密度对不锈钢收集极表面损伤及系统产生微波的影响,结合对无箔二极管中电子束空间密度分布的研究结果,给出了不锈钢收集极损伤电子束能量密度阈值范围。

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极(刀口尺寸38~39 mm)开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析。研究结果表明,电子束径向分布在37.2~40.2 mm,存在密度较高区域(38.8~39.4 mm)和密度最大值点(39.2 mm),且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。

采用粒子模拟方法对一种基于过模结构的表面波振荡器相对论太赫兹源进行了研究，模拟得到了频率为0.148 THz的电磁波输出，主要输出模式为TM01模式。该结构的特点是没有反射结构，电磁波会进入二极管区域。研究了电子束电压和二极管区域内电磁场对输出功率和频率的影响以及器件几何结构参数对输出功率的影响。计算结果表明，泄露到二极管区域的电磁波对器件工作状态影响很小，但是二极管参数对器件的输出功率影响很大。

对相对论返波管实验中射频击穿现象进行了分析和数值模拟研究，发现谐振反射器和慢波结构的局部场增强诱导了场致电子发射，引起了金属表面的射频击穿，通过研究分析，提出采用分布反馈式谐振反射器，并采用梯形倒角非均匀慢波结构替换正弦慢波结构的方法来抑制射频击穿。数值模拟研究表明，在微波功率2 GW时，改进后的反射器最大场强由1.4 MV/cm降低为570 kV/cm，慢波结构表面最大电场由1.1 MV/cm降低到780 kV/cm。改进后的结构在二极管电压765 kV时获得了微波功率2.2 GW、脉宽45 ns的实验结果，微波功率和脉宽得到显著提升。

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。