金属高频结构的射频击穿是引起功率下降和脉冲缩短的重要原因，是限制高功率微波(HPM)向更高功率、更长脉冲发展的重要因素。射频击穿的物理过程极其复杂，并且开展射频击穿研究对实验条件等要求高，因此粒子模拟是研究射频击穿的重要手段。通过在慢波结构表面设置爆炸发射电子和离子的方式模拟等离子体对一个X波段的相对论返波振荡器(RBWO)和一个Ka波段的RBWO工作的影响。粒子模拟结果表明，对于分段式慢波结构，后段慢波结构产生等离子体会对电子束的调制造成影响，进而影响器件正常工作，引起微波功率下降。当等离子体由质量较轻的正离子和电子组成时，会对束波作用造成更大的影响，引起较大的输出功率下降。相同密度的射频击穿等离子体对Ka波段RBWO工作的影响大于对X波段RBWO的影响。

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术,提出了一种固态化高功率长脉冲驱动源技术方案,该方案充分利用了绝缘规律,可实现模块化设计,具备提高系统稳定性、可靠性、重复频率和长时间运行的潜在优势。目前,针对系统方案进行了电路模拟计算,研制了各关键子系统,开展了全系统的初步联合实验,在假负载上输出了功率2.1 GW、脉宽约170 ns的高压脉冲,验证了技术方案的合理性。

根据孤立子理论，分析了利用变容非线性传输线产生射频场的机理。利用电路仿真方法系统地研究了影响射频场产生的相关参数，发现电感和零压电容越小、输入电压越大，射频场的频率越高；电容的非线性率越大，射频场的峰值电压越高、高频成分越多。并在此基础上，仿真设计了能产生峰值功率为0.8 GW、主频为19.42 MHz射频场的非线性传输线。

介绍了一个基于带状脉冲形成线的低阻抗实验平台，针对该平台设计了两种不同类型结构的匹配负载，并分别进行了实验研究，得到了不同的输出脉冲波形，发现轨道结构的水负载具有很低的负载回路电感，适于作为低阻抗脉冲形成线的匹配负载。实验结果表明：在开关电感一定的情况下，负载回路电感是影响低阻抗形成线输出波形的决定性因素。对于0.5 Ω的带状脉冲形成线，只有将负载回路电感控制在30 nH以内，才能获得波形较好的输出脉冲，高压实验结果也验证了此结论。利用数值模拟的方法，分析了负载回路电感对不同阻抗形成线输出波形的影响，结果表明：随着形成线阻抗的增加，负载回路电感对波形的影响越来越小。

建立了精确的激光触发变压器型脉冲调制器的同步触发系统。分别对脉冲调制器初级电脉冲触发控制信号与电脉冲输出时刻之间、变压器充电起始时刻与激光器Q开关触发信号之间、激光信号与脉冲调制器放电时刻之间的延时进行了测量, 并分析其相互间时序关系；通过对变压器输出电压信号进行采样滤波后, 利用比较器输出逻辑门电路(TTL)信号作为激光器Q开关触发信号, 实现了脉冲形成线充电时间与激光触发主开关放电过程的同步控制。开展了激光触发脉冲功率调制器主开关的实验研究, 在形成线充电电压-590 kV时, 在假负载上得到-305 kV, 20 kA的电脉冲, 脉冲宽度126 ns, 激光到达主开关时刻与开关导通时刻间延时35 ns。

利用光纤传感器与光电二极管相结合的方法, 对强流电子加速器中气体火花开关以及真空二极管的发光特性进行了研究, 对影响光电二极管测量的因素进行了理论计算与模拟研究。在气体开关导通电压1.7 MV, 二极管电压1.07 MV, 电流18 kA时, 进行了多次实验, 得到了发光特性与击穿电压、电流的关系。同时,对利用光学检测方法测量主开关或真空二极管电压、电流大小得可行性进行了分析。

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。