回旋管在毫米波与太赫兹频段能够输出高峰值功率和高平均功率，具有重要的应用需求。本文基于回旋管束波互作用理论设计了一只140 GHz回旋管以用于磁约束聚变中电子回旋加热相关元件的测试和老炼，目标是实现最大输出功率不小于50 kW，具备脉冲工作及连续运行能力，且具有一定的频率和功率调节范围以适应测试的需求。根据设计结果开展了该回旋管的研制与测试，在阴极电压-37.2 kV，控制极电压-12.19 kV，阳极电压+11 kV，束流3.4 A，工作磁场约5.3T下获得最大脉冲输出功率56 kW，功率可通过工作电流和磁场进行调节，同样的调节手段还可以使频率获得约80 MHz的调节范围。重点对起振电流、功率曲线和频率曲线等进行了理论计算结果和实验结果的对比，二者获得了良好的一致。由于初步实验中观察到了大于50 kW连续波功率输出时窗片的过温现象，因此降低功率在20.3 kW开展了连续运行实验，结果表明在该功率下回旋管连续运行状态稳定，可以用于后续聚变元件测试和老炼工作的开展。

研究并设计了一种具有宽频带工作能力的太赫兹准光模式变换器。该准光模式变换器采用具有高效率特性的Denisov 辐射器，工作在TE_6.2模式，用于实现回旋管内的模式变换。由于Denisov 辐射器的参数是影响准光模式变换器宽带性能的主要因素，因此通过对辐射器参数的优化设计，达到增大模式变换器带宽的效果。使用自主开发的准光学模拟程序进行仿真，模式变换器中心频率为94 GHz，带宽达2 GHz。