针对磁绝缘线高功率微波振荡器(MILO)的静态保真空和重频运行，设计了一种真空度在线测量系统及其组件，优化了常规的测量方法，实现了真空度的实时监测和数据采集。基于30 GW高功率脉冲平台，以硬管化MILO微波源为负载，开展了加电运行条件下微波源内真空度的实时在线测量。实验结果表明：研制的真空在线测量组件具有较强的抗电磁干扰能力，能够准确获得高功率微波源运行过程中的本底真空度及脉冲放气特性。

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究，其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2，发射面积为100 cm2，发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究，在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数，再对整管进行粒子模拟研究，仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时，该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW，换能效率为29%。

设计了一种矩形波导隔断插板式TM11-TE10模式转换器。其结构是在矩形波导横截面窄边的中部,平行于横截面宽边插入一块金属平板,将其等分为上下两个矩形波导,将TM11模式转换为分别位于上下两个矩形波导内相位相反的TE10模式。然后分别在上下两个矩形波导内,平行于窄边等间距地插入一组金属薄板。TE10模式微波经过轴向长度差为合适值的上下两组插板后,相移差变为180°,使原本相位相反的TE10模式转为同向,最后通过阻抗渐变合成单个波导的TE10模式。该模式转换器可与带状电子束高功率微波源共轴,其横向最大尺寸可与带状电子束高功率微波源矩形输出口保持一致,轴向长度较短,结构简单、紧凑。利用有限元算法仿真软件,对该设计方案进行了验证和初步优化设计。初步的设计结果表明：当相对带宽为10%时,TM11至TE10模式的转换效率大于-0.45 dB,可满足带状电子束高功率微波源对输出结构的设计要求。

通过理论分析指出,单模相对论返波振荡器内的平均场强正比于其工作频率, 工作在高频段难以实现长脉冲运行。采用电磁场仿真方法, 比较了X波段单模和过模慢波结构的场分布特点, 结果表明:增加过模比能有效减小慢波结构表面的射频场强, 但由于场分布变化导致场强的减小与过模比的增加相比并不显著。利用过模比约为3的慢波结构设计了一种X波段长脉冲高功率微波源。实验中, 在单次运行条件下, 输出微波功率达到2 GW、脉宽80 ns; 在20 Hz重复频率运行条件下, 输出微波功率达到1.2 GW、脉宽100 ns。器件产生的微波频率为9.38 GHz, 主模为TM01, 效率约24%。微波窗口和慢波结构表面的射频击穿是目前实验中限制微波功率和脉宽增加的关键因素。

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源(LTD)模块的实验研究, 设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块, 并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置。根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸, 通过电路和3维模拟, 分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响, 结果表明: 左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式; 与单边输入方式相比, 双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好。根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟, 在40 Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿(10%～90%)约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV, 满足绝缘耐压要求。

提出了一种改进型C波段磁绝缘线振荡器,并对其进行了优化设计.首先根据磁绝缘原理对慢波结构进行了理论分析,并选择了磁绝缘线振荡器阴极半径和主慢波结构的基本参数,然后用2.5维全电磁PIC方法研究了输出功率与其它参数之间的关系.模拟表明,优化结构可以在输入约21GW电功率(工作电压约500kV)的条件下,得到频率3.91GHz、平均功率2.71GW的微波输出,其饱和时间为10ns,平均效率为12.9%.

采用小信号理论,在考虑到透射、反射束电子不同作用下,分析了虚阴极振荡器产生微波的机制,获得了计算微波主频的方法,讨论了增强束波作用效率的方法,并提出一种新型结构的虚阴极振荡器。该振荡器的阳极后放置了一个谐振腔,谐振腔长度很小,虚阴极不能在其中形成,谐振腔受到反射电子束激励并建立强场,场对入射电子进行调制,同时采用同轴结构引出微波。利用2.5DPIC程序对新型的结构进行了数值模拟,验证了理论分析的正确性。在入射电子束电子能量为520keV和电子束流12.5kA的条件下,获得微波平均功率为1GW,频率为3.66GHz,平均束波转换效率为15.3%。

为了进一步提高MILO产生微波的功率和效率,提出了其负载电流能量全部利用来产生微波的新思想.设计并运用二维全电磁PIC方法模拟了基于此思想的新型MILO,它是传统MILO与VCO的有机结合(简称MVO).模拟结果表明MVO中MILO部分与作为MILO负载的VCO部分各自工作正常,VCO部分产生微波的主频受MILO部分产生微波的牵引.在输入25GW电功率(工作电压约500kV)下,与相应传统MILO相比,MVO的微波平均输出功率提高了500MW,效率从6%提高到了8%.