利用有限元软件ANSYS对W波段回旋行波管电子枪进行了热应力分析.在给定热子功率下对阴极组件的温度场分布和热形变分布进行了模拟, 并通过实验进行验证.测试的温度分布基本与模拟结果基本一致.最后, 利用EGUN软件对电子枪形变前后进行了模拟.

研究了影响毫米波谐波回旋管互作用效率的多个因素, 通过采用三次谐波工作, 94GHz回旋管的工作磁场降低到了1.185T, 使采用永磁体取代超导磁体成为可能.利用自洽非线性计算和粒子模拟研究了回旋振荡管的注-波互作用过程, 发现了腔体品质因数与互作用效率的内在联系, 研究了工作电压和电子注横纵速率比对耦合强度的影响, 考虑了磁场渐变及电子注速度离散对互作用效率的影响, 通过选择合理的工作模式和系统参数, 当工作电压为40kV、工作电流为12 A、电子注横向速度离散为3%时获得了95kW的输出功率及19.7%的效率.当采用单级降压收集极后, 效率可以进一步提高到39.2%.

针对谐波回旋管互作用效率低的问题, 以自洽非线性理论为基本工具, 系统地分析了三个关键因素, 即互作用腔体长度(Q值)、电子注的横纵速度比和工作电压对二次谐波互作用系统性能的影响.研究发现当工作磁场选择在硬激发区时, 通过综合调节电子注的横纵速度比和工作电压能够获得较高的互作用效率.基于自洽非线性理论优化设计了一个W波段二次谐波回旋振荡器, 粒子模拟(PIC)结果显示当电子注速度离散３％, 工作电压37 kV, 电流4 A时, 输出效率达到了39.5%.

介绍了W波段四腔回旋速调管放大器的设计.放大器工作在基膜TE01圆电模式，电子束工作电压70 kV，工作电流6 A，设计的双阳极磁控式注入电子枪，电子束纵横速度比1.5，速度零散小于4%.采用粒子模拟方法分析了各种参数对器件性能的影响.模拟结果显示，设计的放大器在电子束速度零散4%的情况下，增益35 dB，带宽800 MHz，输出功率100 kW，效率为23.8%.

根据回旋管的电子回旋脉塞理论，借助于编写的回旋振荡管自洽非线性注-波互作用计算程序，设计出了工作频率94 GHz、工作电压30 kV、工作电流3 A的基次谐波连续波单腔回旋振荡管，工作模式为TE02模。设计的回旋振荡管在电压30.0 kV、电流3.0 A、速度横纵比1.5的条件下，获得了31.8 kW的输出功率，电子效率约35％。利用粒子模拟仿真软件对设计的回旋管收集极辅助线包散焦系统进行了粒子模拟仿真分析，模拟结果表明：借助于辅助线包散焦系统可以有效缩短回旋振荡管的轴向尺寸，并使回旋管收集极上的电子束功率密度低于500 W/cm2； W波段回旋振荡管收集极的热测试验结果表明：利用粒子模拟仿真获得的收集极上的电子束功率密度分布与其试验测量结果比较吻合。

从陶瓷介质材料的临界温度差出发，研究了不同材料的回旋管输出窗的临界热耗散功率。针对TE01，TE11和TE02模式的电磁波通过窗片时发生的不同加热模式进行分析，比较了氧化铝窗片、氧化铍窗片、氮化硼窗片和蓝宝石窗片的热功率承受能力。另外，研究了窗片厚度变化时，不同材料窗片的临界热耗散功率的变化情况。研究表明：蓝宝石和氧化铍窗片表现出较好的热功率耗散能力，其中以蓝宝石窗片最为出色；氧化铝和氮化硼窗片的热功率耗散能力相对较弱；随着窗片厚度的增加，4种材料的临界热耗散功率均有不同程度的变大，其中以蓝宝石和氧化铍窗片更为明显。

采用几何光学模型详细研究了边廊模回旋管中Vlasov模式变换器的工作原理, 利用等效像源模型结合矢量绕射理论分析了通过此模式变换器的辐射场.考虑W波段边廊模回旋管的具体参数, 通过数值计算, 讨论了通过Vlasov模式变换器后辐射波束的场分布特性.结果表明, Vlasov模式变换器将回旋管中的高阶边廊模式转换为自由空间的高斯模式, 且远场的高斯场型较近场更好.