为了进一步提高S波段高功率强流长脉冲相对论速调管放大器(RKA)的重复频率稳频稳相运行的性能，采用实验结合理论和模拟的方法，分析了其主要制约因素，特别分析了造成器件脉冲缩短和重复频率运行不稳定等问题的根源。研究结果表明，RKA中的中间腔和输出腔的电子反射、电子散焦轰击腔体鼻锥是造成脉冲缩短、重复频率运行不稳定的主要根源。通过采用大漂移管半径的器件结构、在漂移管中加载吸波材料以及引导磁场位形、采用电子发射较均匀的碳/碳复合阴极材料等措施，使杂频振荡、脉冲缩短和重复频率工作不稳定性等问题得到了明显减轻，输出微波相位稳定性得到显著提高。采用电压830 kV、束流7.7 kA、脉宽190 ns的环行电子束驱动S波段3腔RKA，重复频率25 Hz运行得到了峰值功率1.55 GW、脉宽163 ns、相位抖动18°（rms）的输出微波。

为了抑制聚四氟乙烯材料表面电荷积聚，采用射频产生氮等离子体对其表面进行等离子体浸没离子注入以改善其表面性能。对注入前后的聚四氟乙烯材料样品进行了X射线光电子能谱分析（XPS）、傅里叶红外光谱测试（FTIR）、水接触角测量、表面电阻率测量以及表面电位衰减测量，并基于等温表面电位衰减理论对其表面陷阱能级和密度分布进行了计算，以分析聚四氟乙烯样品经离子注入处理后其表面成分和物理性能的变化，并研究了这些变化对聚四氟乙烯样品表面电荷积聚和消散特性的影响。结果表明：氮离子注入后，聚四氟乙烯材料表面化学成分的主要变化是自身分子结构的破坏和转化，部分CF₂结构转变为CF和CF₃结构，导致样品表面陷阱能级变浅；水接触角升至140°左右，比未处理样品上升了约27°，表面电阻率降至3×10¹⁵ Ω，比未处理样品下降了两个数量级；表面电晕放电1 min后，经氮离子注入处理的聚四氟乙烯材料表面积聚电荷量减少，消散速度加快，这是因为表面陷阱能级变浅有利于表面电荷脱陷，同时表面电阻率降低也促进了表面电荷沿面传导的消散过程，聚四氟乙烯样品表面陷阱能级分布曲线也证实了这一论点。

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题，研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现：由于引导磁场尺寸有限，高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素，且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管，理论分析和模拟计算证明：基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射，并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。

介绍了快速关断半导体开关（DSRD）的工作原理，研究了开关内部的物理过程，分析了系统参数对开关输出特性的影响，研究发现：基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快；基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压；考虑各参数的影响，基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件；缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲，当正向泵浦时间小于200 ns时，输出脉冲波形基本不变；为了获得理想的脉冲前沿，反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路，研制了基于DSRD的快脉冲产生系统，输出脉冲前沿约4 ns，电压约8 kV，电压上升速率约2 kV/ns，满足FID开关器件对触发电压的要求。