相对于高阶工作模式的单腔回旋管,同轴腔回旋管具有缓解模式竞争,提高单模工作的稳定性,以及增大功率容量的优点,宜用于受控热核聚变中的电子回旋共振加热和电子回旋电流驱动而受关注.详细地研究了工作频率为 170 GHz,TE34,11模同轴腔回旋管的结构参数、电子束参数及腔壁损耗对注-波互作用的影响.首先对 170 GHz兆瓦级功率模式选择进行分析,给出了工作模式.再次,基于时域自洽非线性理论,编写了时域单模稳态注-波互作用程序,分析了电流、磁场强度和腔壁欧姆损耗对互作用的影响,并对工作参数进行了优化.模拟结果表明: 当电子束电流为 68 A,工作电压为 65 kV,引导磁场强度为 6. 58 T时,可获得 2. 18 MW的输出功率, 49. 23 %的效率,外腔壁上的欧姆损耗密度峰值为 1. 94 kW/cm2,内导体表面的小于 0. 15 W/cm2; 互作用效率随速度零散增大而降低,输出频率向下偏移; 电子注厚度对互作用也有相似的影响.

针对Danilov(2007)提出的高阶模式激励器纯度未知和设计思路模糊的不足，介绍了一种改进型螺旋分布孔高阶旋转模式激励器，以实现同轴TE1,1模式到圆波导TE5,3模式的高纯度转换。根据不均匀弦方程，编制了数值计算程序对同轴腔体结构参数进行了优化计算，使工作模式能够有效谐振。基于小孔衍射理论以及PEC表面的电场边界条件，详细研究了螺旋分布孔的排列方式和模式抑制器的工作原理。数值计算和仿真结果表明：在中心频率30 GHz附近，TE5,3模式激励器的模式纯度高达97.4%，转换效率为96.1%。设计的高阶模式激励器相对于Danilov的结构具有纯度高和紧凑的性能。

同步加速器Barrier Bucket高频系统用于克服空间电荷效应的影响, 并对束团进行预压缩从而实现束团的多次累积来提高束流的流强。实现Barrier Bucket束流多次累积, 要求在同步环高频加速腔上产生一个单正弦电压信号。针对单正弦波形的特点, 讨论在同轴加载腔上产生该电压波形的方法和条件。通过对单正弦信号的频谱分析得出信号对加速腔高频系统的带宽要求, 运用等效并联电路的方法并将同轴加载腔作线性时不变近似, 求出输出的腔体电压与输入的激励电流间的关系。Barrier Bucket电压信号对加速腔整个高频系统的带宽要求至少应为单正弦频率的两倍。输入的激励电流为单正弦信号的基础上叠加上一个直流脉冲偏置, 偏置大小为腔体Q值。最后, 根据分析的结果在兰州重离子加速器冷却储存实验环(CSRe)高频系统的铁氧体加载腔和新研制的磁合金加载腔系统上进行测试,并对测试结果作相关讨论。

通过搭建谐振电路的方法对国产磁合金环性能进行了测试。测试的主要参数包括磁合金环的磁导率、Q值及其并联阻抗值等。测试结果表明：该磁合金环的Q值很低, 随频率的变化不明显；磁导率很大, 随频率的增加而减小；并联阻抗值随频率增加而变大。在100 ℃温度以内, 其性能参数变化很小。

介绍了220GHz同轴腔回旋管的设计, 工作模式为TE04圆电模式.采用自洽非线性理论对谐振腔的工作参数进行了参数优化, 选取工作电压50kV, 工作电流10A, 工作磁场8.4Tesla.设计的同轴型双阳极磁控注入式电子枪, 电子注速度横纵比1.5, 速度零散5.2%.并采用粒子模拟方法进行了整管仿真.理论计算与粒子模拟结果表明, 设计的220GHz同轴腔回旋管有望获得200kW以上的输出功率与40%以上的互作用效率.

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器，在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42,22，频率为0.22 THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明：在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下，竞争模式得到有效抑制，可以稳定地工作在单一模式，输出功率达0.87 MW，效率为22.8%，腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。

设计了速调管的单间隙和双间隙圆柱同轴腔高阶TM310模式输出回路。为降低外输出腔的外观品质因数和增加腔内工作模式电磁场的均匀性，采用了在输出孔处腔内侧位置设置轴向短路金属线的措施。由等效电路理论分别计算了它们加载空矩形波导TE10基模时，腔内漂移管中心位置处的等效间隙阻抗及对应的输出带宽。计算模拟发现，与单间隙腔相比，双间隙腔具有较大的间隙阻抗及带宽。

利用3维电磁场与粒子模拟软件对S波段多注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定腔体的冷腔高频特性，采用3维的粒子模拟软件（PIC）模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明：通过引入同轴谐振腔结构，使电子注不必集中在谐振腔中心通过，降低了电场不均性对束波互作用的不利影响；通过引入多电子注，电子在相对较低的轴向聚焦磁场下依然拥有较高的通过率，降低了速调管对聚焦磁场的要求。模拟中采用3个同轴谐振腔进行束波互作用，在输入电压700 kV、束流5.8 kA和聚焦磁场0.4 T的情况下，得到了功率1.4 GW的输出微波，效率为35%。

为了研究回旋管工作模式的选择机理, 分析了圆柱波导开放式谐振腔、光滑同轴谐振腔和纵向内开槽同轴谐振腔相应波导的色散特性, 进而研究了这些谐振腔内模式竞争的问题。对同轴结构波导色散方程作了相应的数值计算, 结果表明,同轴谐振腔利用自身色散曲线与谐振腔内外半径比值的数值关系, 能够使在开放式谐振腔内无法工作的高阶模式在其内部稳定工作。最后, 以德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)研制的同轴回旋管为例, 进行了相应的分析计算,结果表明纵向内开槽同轴谐振腔相对于光滑同轴谐振腔更适合高阶模式的稳定工作。

研究了高频段微波同轴谐振腔高阶横磁模式TMn10的系列相关参数,发现对于确定的工作频率,可以根据器件功率的大小与工作环境的不同而比较自由地选择谐振腔的横截面尺寸及TMn10模式的阶数,即在较高频率下,可以采取较大横截面的腔体以便提升功率。根据计算所得的模式图,调节腔体尺寸和选择工作模式阶数,使工作模式与其相邻的模式有较大的模式间隔以增加带宽,并且获得较大的特性阻抗。编程理论计算的大量结果与用高频电磁场软件ISFEL 3D仿真的结果吻合较好。