为实现高功率微波(HPM)系统的小型化，设计一个S波段较低磁场相对论返波管(RBWO)振荡器。针对低磁场特点，分析慢波结构、引导磁场、束压、束流等对输出微波的影响，通过模拟软件(PIC)优化结构。以此设计引导磁场为0.24 T，电子束束压为725 kV，束流为6 kA，频率为3.53 GHz，输出微波功率为1.22 GW，束波转换效率为27%的低磁场S波段相对论返波管。仿真实验结果表明：在强流电子束加速器平台上外加磁场为0.24 T时，得到平均功率1 GW、频率3.58 GHz、脉宽90 ns的微波输出，与理论值一致。进行了重频为1 Hz，20 s的稳定性实验，该实验结果为实现相对论返波管的永磁包装奠定了良好的基础。

为了实现高功率微波发生器的小型化, 开展了S波段低磁场相对论返波振荡器工作特性的研究工作。由于S波段返波振荡器频率低, 对应的电子回旋共振磁场强度也很低, 因此低磁场条件下面临着电子束传输效率低和束波互作用效率低两大问题。为解决上述问题, 采取下列措施: 通过加大电子束与器件内壁的距离, 提高电子束传输效率; 采用较深的慢波结构作为提取腔, 实现高束波互作用阻抗; 提取腔前采用浅深度慢波结构, 使提取腔区域的电子速度与微波相速同步。粒子模拟证明, 以上措施有效, 在引导磁场强度仅为0.17 T、电子束电压435 kV、电流6.5 kA的条件下, 该返波管获得功率为670 MW、效率约为25%的输出微波。相对于常规S波段相对论返波振荡器的磁场系统(B=0.8 T), 适用于该返波管的0.17 T低强度磁场系统螺线管外半径下降了20%, 能耗下降了约93.8%。

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。

针对高功率微波(HPM)源的引导磁场需求, 设计并研制了一套基于超级电容储能方式的秒级脉冲磁场系统。首先简要说明了基于超级电容储能方式磁场系统的基本原理和计算方法, 接着详细讨论了超级电容磁场电源设计和对应的螺线管磁场线圈设计, 最后通过模拟和实验验证了储能型磁场系统可以输出秒级磁场脉冲, 满足高功率微波磁场需求。结果显示, 超级电容脉冲磁场输出稳定, 磁场位形较好, 比较适宜于高功率微波源系统的外加磁场系统。最后分析了设计和仿真过程中的问题并展望了此类技术的应用前景。

为了实现高功率微波(HPM)系统小型化，结合传统低磁场相对论返波管振荡器(RBWO)的设计理论，设计一个Ku 波段较低磁场的相对论返波振荡器。分析束压、束流、引导磁场等对输出微波的影响，并采用粒子模拟软件(PIC)优化结构。当轴向引导磁场为0.4 T，电子束束压和束流分别为600 kV 和7 kA 时，得到频率为13.08 GHz，功率为1.0 GW 的微波输出。在强流电子束加速器平台上开展实验验证模拟结果：外加磁场0.4 T 时，得到平均功率为850 MW、频率13.05 GHz、脉宽24 ns 的微波输出。该实验结果为实现较低磁场GW 级微波输出打下了良好的基础。

对径向电子束在浸没式聚焦条件下的传输特性进行了理论分析, 得到了束流传输过程中轴向扩张幅值与外加引导磁场强度之间的解析表达式。阐述了螺线盘在空间中任意一点产生磁场的理论, 给出了通以相反方向电流的螺线盘之间磁场的分布规律。设计了一种基于螺线盘聚焦径向电子束的引导磁场系统, 并对电子束的传输特性进行了仿真研究, 结果表明径向电子束能够在设计的引导磁场系统下实现束流的稳定传输。

基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW 的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW 的微波输出。

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明：引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用；大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区；增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。

对相对论速调管放大器(RKA)锁相特性进行了粒子模拟与实验研究。在2.5维粒子模拟中，研究了电子束电压波形特征对RKA锁相特性的影响，结果表明：电子束电压波形上冲对RKA锁相特性有正面影响，即能够减小相位差达到锁定状态的时间，幅度为20%的上冲导致大约23°的相位差变化；波形顶降则对RKA锁相特性有负面影响，可使相位差过早地偏离稳定值，幅度为5%的顶降大约能引起50°的相位差偏离；电压波形的上升时间对RKA相位锁定特性也有影响，但规律不明显。在三维粒子模拟和实验中，研究了导引磁场大小对RKA锁相特性的影响，结果表明，在1.6 T以下，RKA输出微波与种子源微波之间的相位差锁定值总体上随导引磁场的增大而减小，在细节上，呈现阶跃形式，即一定范围内导引磁场大小变化不会导致相位差的改变。实验研究表明，在导引磁场范围为0.6~1.2 T时，RKA锁定相位差随导引磁场的增大而减小，阶跃现象不明显。

为开展L波段低阻无箔渡越辐射高功率微波发生器的单次实验, 设计了一种满足需要的电容器储能脉冲磁场系统。系统储能电容5.4 mF, 设计的螺线管线圈长45 cm, 其理论电感和电阻值分别为42 mH和0.66 Ω。基于该设计, 绕制了磁场线圈并搭建了实验平台, 线圈实际电感和电阻值分别为40 mH和0.61 Ω。目击靶实验进一步证实了励磁系统产生的导引磁场能够较好地约束电子束。