为提高聚合物绝缘子的真空沿面绝缘性能与耐压稳定性, 利用有机溶剂 -水混合体系与聚合物材料的相互作用, 对聚合物表面造孔的方法及其对聚合物绝缘子真空沿面闪络性能的影响进行探究。选用聚醚酰亚胺为研究对象, 利用有机溶剂 -水混合溶剂对绝缘子表面进行处理: 有机溶剂将水分子带入聚合物表层, 而后除去溶剂, 在此过程中, 侵蚀聚合物表面的混合溶剂中有机溶剂首先挥发, 残留的水分子由于与聚合物不相容, 团聚成小液珠, 占据一定的空间, 最后随着水珠被真空热处理去除, 在聚合物绝缘子表面形成了微孔结构。通过该处理的聚合物绝缘子的表面化学成分基本不发生变化。对混合溶剂造孔的聚酰亚胺绝缘子进行短脉冲闪络电压测试, 结果表明, 通过合适配比的混合溶剂造孔能使绝缘子闪络电压得到有效提升。该方法简单易行, 适用于各种几何结构与尺寸的聚合物绝缘子。

对Ka波段TM02模式低磁场相对论返波管的结构特点、工作原理进行了介绍，详细分析了该器件以TM02模工作的模式选择机制。通过粒子模拟，该器件在1 T引导磁场下获得了功率为493 MW、频率29.3 GHz的微波输出，工作模式及频率与理论设计相一致。随后，基于模拟中的结构参数开展了初步的实验研究，当二极管电压为580 kV、电流为3.56 kA、引导磁场1 T时，获得了功率286 MW、频率29.3 GHz、脉宽约10 ns的微波输出。实验获得的微波频率与数值模拟一致，但是微波功率与数值模拟结果有明显差异，并且微波脉冲后沿有明显的缩短，分析认为在低磁场下后端谐振腔链受到电子轰击是导致该问题的主要原因。

设计了一种X波段过模高效率相对论返波管（RBWO），主要结构包括双谐振腔反射器、7周期梯形慢波结构与提取腔。该器件慢波结构的过模比为2.6，电子束与结构波TM01模的近π模相互作用，在慢波结构区域束波作用产生的TM01模表面波主要转化为TM02模的体波，其输出微波的模式主要为TM02模，占比为81%，其余为TM01模。提出一种过模条件下谐振腔反射器的设计思路，结合模式匹配法，优化得到了一种双谐振腔反射器结构，其对TM01模与TM02模的反射系数均大于0.99，可实现过模条件下RBWO慢波结构与二极管区的良好隔离；同时双谐振腔反射器两个谐振腔中的纵向电场可以对电子束进行充分的预调制，将促进慢波结构区域的束波作用，有利于提升效率。通过在慢波结构后端加入提取腔，进一步提升了转换效率。PIC仿真中,在二极管电压900 kV，电流14.3 kA，得到了6.6 GW的输出功率，转换效率约51%。

对聚合物绝缘子表面微形貌的构筑方法及其对沿面闪络性能的影响进行了研究。首先以二氧化硅微球为模板，利用化学模板法在交联聚苯乙烯(CLPS)表面实现了μm级孔穴的构筑，研究了二氧化硅微球的颗粒直径及添加量对微孔参数的影响；其次，利用激光刻蚀的方法在有机玻璃(PMMA)绝缘子表面实现了百μm级三角形凹槽阵列的构筑，探索了激光工艺参数对微槽形貌和结构的影响。通过短脉冲高压测试平台对构筑了两种不同微形貌的绝缘子进行了真空沿面闪络性能测试。结果表明：沿面闪络电压均获得了显著提升，其中表面带有合适微槽的PMMA绝缘子的闪络电压相比于未处理的绝缘子提升了将近150%；与传统的表面机械加工处理方法相比，在聚合物表面实现了从μm到数百μm量级微结构的可控构筑，并使真空沿面闪络电压获得了稳定提升。

为了有效提高器件输出微波相位的稳定性，对S波段强流相对论速调管放大器输出微波相位特性开展了理论研究和优化设计。理论分析结果表明，束流发射和传输均匀性、腔内杂频和强流脉冲电压波动是影响器件输出微波相位稳定性的重要原因，通过优化二极管结构，增加吸波材料以及优化腔体结构和参数等手段可以有效地减小上述因素对输出微波相位稳定性的影响，提高器件工作的稳定性。对优化后的器件开展了实验研究，得到单台单次输出功率GW量级基础上，100 ns内相位标准差约10°，单台重频5 Hz工作输出微波相位标准差约20°，两台同时工作输出微波相位差抖动约20°的结果，满足了实际应用的需求。

相位特性是目前制约多注相对论速调管放大器进一步拓展应用的关键参数之一, 为了有效提高器件输出微波相位的稳定性, 利用一维非线性理论对X波段强流多注速调管放大器开展了理论研究, 得到由强流脉冲特性引起的腔体杂频以及电子束运动速度变化率是造成输出微波相位波动的部分主要原因, 同时基于18注实心电子束构成的X波段多注相对论速调管放大器开展了强流脉冲特性对输出微波频率和相位影响的数值计算, 最后利用粒子模拟手段对理论结果进行验证。理论和模拟结果一致表明: 强流脉冲的前沿和波动都将导致器件内实际工作频率的偏移, 并引起相位波动; 在脉冲前沿段, 脉冲前沿长度越短, 器件内实际工作频率偏移越大, 相位波动幅度越大; 在脉冲平顶段, 脉冲波动导致的频率偏移与电压变化率相关, 与电压的幅值无关, 而脉冲电压波动导致的输出微波相位波动由电压变化率及其变化幅度两者共同决定。

设计了一种工作在Ku波段的低磁场同轴相对论返波管。器件工作在同轴TM01近π模式, 采用两段式慢波结构构型, 在前后段慢波结构中分别主要进行电子束调制与能量提取, 以实现高效率工作。通过设计非对称反射腔, 引入电子束预调制, 进一步加深电子束调制深度, 提高了束波互作用效率。通过调节慢波结构中间漂移段长度, 进一步优化器件内部场分布, 提取段慢波结构处轴向电场强度得到显著增强, 器件工作效率可提升至35%。最终, 当磁场强度0.6 、二极管电压490 V、二极管电流7.5 A时, 获得1.27 GW微波输出, 效率约35%, 微波频率为14.7 GHz。

基于同轴静磁波荡器的自由电子激光主要利用环形电子束与同轴TE模式的相互作用产生电磁辐射，是一种重要的毫米波辐射源。分析了同轴结构作用区内外半径、工作模式、电子束电压、波荡器周期等参数对辐射频率的影响规律，研究了电子束平均半径的选取原则和束波互作用腔的设计方法，设计了辐射频率在W波段的基于同轴静磁波荡器的自由电子激光，并进行了粒子模拟，在电子束电压为720 kV，电子束流为1 kA的情况下，获得了频率107 GHz、辐射功率35 MW的TE01模，束波转换效率为4.9%，束波作用腔总长度小于200 mm，同轴静磁波荡器的磁场幅度0.34 T。

绝缘体表面结构和微观形貌对提高器件真空闪络特性有重要影响。首次提出了表面具有均匀分布纳米级空穴聚合物绝缘子的化学制备方法。通过本体聚合制备纳米级二氧化硅颗粒均匀分布的交联聚苯乙烯复合材料, 机械加工成聚合物绝缘子后, 采用氢氟酸化学腐蚀的方法将绝缘子表面氧化物颗粒去除。采用透射电子显微镜、表面电阻率和短脉冲高压测试平台分别对处理前后绝缘子的表面形貌和绝缘等性能进行了表征, 结果表明: 处理后的交联聚苯乙烯复合材料绝缘子的表面形成了20~50 nm直径的空穴, 空穴的大小和数量分布分别由二氧化硅颗粒的粒径和加入量控制。这种具有特殊表面结构的新型绝缘子的沿面闪络电压较纯交联聚苯乙烯绝缘子提高了15%~20%, 并保持了较好的力学及加工性能。研究方法和实验结果对聚合物绝缘子的表面结构设计及高性能绝缘子的研制提供了一种新的途径。