介绍了105/140 GHz双频兆瓦级回旋管的设计和最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、BN输出窗采用了双频共用的设计，电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪，收集极采用单级降压。在现有实验室电网功率容量有限的情况下，进行脉冲调试，得到的实验结果为：在重频1 Hz、ms连续短脉冲条件下，在105 GHz点和140 GHz点脉冲功率分别达到710 kW和1.057 MW，脉宽0.7 ms，对应总效率分别为34%和49%。在105 GHz点通过脉宽延展和老炼，进一步得到300 kW/2 s和400 kW/1 s的秒级脉宽实验结果，BN窗片的温度在两种状态下温度分别达到606 ℃和503 ℃，波束频率单一，没有杂模。实验基本上验证了该器件的物理设计。

成功实现高转换效率的140 GHz TE_22，6准光模式变换器原型设计。基于周期微扰原理设计Denisov辐射器，实现低边缘绕射的初级出射波束。针对三镜面光路系统，采用全矢物理光学积分作为主要计算手段，围绕主极化场分量进行三级相位修正面迭代优化，实现高出射高斯纯度的模式场转换，其中一级镜的修正有效改善了辐射器出射的不理想性。基于全矢数值仿真确认，相比原二次曲面原型设计，相位修正后的变换器系统的出射高斯纯度从92.7%提高到99.6%，结合98.8%以上的功率传递效率，实现了性能优越的高阶回旋管准光模式变换器原型设计。

为满足聚变用170 GHz回旋管高功率输出和高效率传输的要求，需将高阶工作模式TE_25，10转换为高斯波束；针对这一技术需求，完成了170 GHz、TE_25，10模式高效准光模式变换器的设计，准光模式变换器由辐射器和镜面系统组成。基于几何光学和耦合波理论，完成了Denisov型辐射器相关设计；基于矢量衍射定理和相位校正算法，设计了由一个抛物面镜面、一个准椭圆镜面及一个相位校正镜面组成的镜面系统；使用Surf3D软件对辐射器进行了优化和计算，使用三维全波仿真软件FEKO对镜面系统进行了优化和计算，主要对辐射器微扰幅值、位置分布及相位差进行了优化。所设计准光模式变换器系统的能量转换效率约为95.2%，波束在输出窗处的标量高斯含量约为97.6%，矢量高斯含量约为91.8%，达到了回旋管的应用要求。

报道了聚变应用的MW级双频（105/140 GHz）回旋管的最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、输出窗采用了双频共用的设计，电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪，收集极采用单极降压。最新的实验表明：在重频1 Hz短脉冲条件下，在105 GHz点和140 GHz点，测试得到脉冲功率分别为710 kW和1.057 MW，对应总效率分别为34%和49%。这是国内首次在回旋管实验中实现1.0 MW功率输出。

通过理论研究和粒子仿真（Particle in Cell，PIC），设计了一支工作在基波TE01模式下，采用周期性介质加载（PDL）波导的220 GHz回旋行波管（gyrotron traveling wave tube，Gyro-TWT）。通过研究寄生振荡的起振阈值和加载介质环，成功抑制了寄生振荡（绝对不稳定性振荡和返波振荡）。分别采用了非线性理论程序与粒子仿真对注波互作用进行研究，对比了两种结果基本一致。PIC仿真结果显示，优化后的回旋行波管，工作在220 GHz时，在输入70 kV和3 A电子注的情况下，饱和输出功率为55.61 kW，对应的效率为26.48%，饱和增益为53.56 dB，-3 dB带宽为12 GHz。

利用线性和非线性理论研究了电子注偏心对0.22 THz回旋行波管注波互作用的影响。基于色散方程研究了电子注偏心对线性增益、绝对不稳定性的起振电流和返波振荡的起振条件的影响。引入自洽非线性理论，分析了电子注偏心对输出功率和注波互作用效率的作用。同时，在考虑速度离散的情况下，研究了电子注质量对共焦波导注波互作用的影响。结果表明，电子注偏心会导致效率的降低。

针对170 GHz回旋管研究，设计了一种高效Denisov准光模式变换器，该回旋管工作在TE31,8模式。模式变换器由微扰结构的辐射器和镜面系统组成。基于耦合模理论和矢量绕射理论，研究了两级微扰辐射器，优化设计了镜面系统。仿真结果显示，TE31,8模式转换为高斯光束，其输出功率转换效率为93.7%。

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。