为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行，开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器（RKA）的理论模拟设计与实验研究。首先，采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA，找到了器件工作的最佳参数：采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA，获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后，采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证，获得了输出功率992 MW，器件效率为37%。最后，根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA，在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下，获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波，束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下，坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束，为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展，电子束的品质难以达到自由电子激光的需求，尤其在稳定性、发散角和能散等方面，阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展，整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展，并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明，通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大，产生高增益的辐射，这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管，借助于三维粒子模拟，研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明，通过调节磁场强度，可以在多个相邻谐波处连续激发振荡，实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射，最大辐射功率为19 kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争，讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外，论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。

After the introduction of the ionization-injection scheme in laser wake field acceleration and of related high-quality electron beam generation methods, such as two-color and resonant multi-pulse ionization injection (ReMPI), the theory of thermal emittance has been used to predict the beam normalized emittance obtainable with those schemes. We recast and extend such a theory, including both higher order terms in the polynomial laser field expansion and non-polynomial corrections due to the onset of saturation effects on a single cycle. Also, a very accurate model for predicting the cycle-averaged distribution of the extracted electrons, including saturation and multi-process events, is proposed and tested. We show that our theory is very accurate for the selected processes of ${\mathrm{Kr}}^{8^{+}\to {10}^{+}}$ and ${\mathrm{Ar}}^{8^{+}\to {10}^{+}}$ , resulting in a maximum error below 1%, even in a deep-saturation regime. The accurate prediction of the beam phase-space can be implemented, for example, in laser-envelope or hybrid particle-in-cell (PIC)/fluid codes, to correctly mimic the cycle-averaged momentum distribution without the need for resolving the intra-cycle dynamics. We introduce further spatial averaging, obtaining expressions for the whole-beam emittance fitting with simulations in a saturated regime, too. Finally, a PIC simulation for a laser wakefield acceleration injector in the ReMPI configuration is discussed.

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。