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.

采用非线性理论探索了同轴多注相对论速调管放大器(CMRKA)的束波互作用特性, 并与PIC结果进行了验证分析。首先推导了实心电子束的几何因子, 然后分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并给出了多注速调管放大器的同轴输入腔间隙耦合系数的公式。对于束压为600 kV、束流为5 kA的16注电子束, 当输入腔间隙电压分别为4.6, 32.7, 189 kV时, 采用一维非线性理论和三维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系, 理论和模拟结果比较一致。当间隙电压为4.6 kV时, 理论计算了多注电子数的个数分别为8,12,16 以及实心电子束的半径与单注电子束通道半径比6/15,8/15,10/15(通道半径不变)时基波电流调制系数随传输距离的变化。结果表明, 随着多注电子数的个数和电子束半径的增加, 基波电流调制系数有逐渐变大的趋势。此外还计算了当间隙电压为20 kV时, 归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和归一化常数N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化。

为减少太赫兹回旋器件模式密度和降低模式竞争问题，利用具有模式选择特点的共焦波导结构作为140 GHz回旋行波管(Gyro-TWT)的高频互作用系统。在理论分析基础上，建立注波互作用计算模型并对其进行数值计算；通过对共焦波导高频场分布、衍射损耗、耦合系数以及注波互作用效率等输出参量的分析，选择HE06作为工作模式，确定了140 GHz Gyro-TWT放大器的基本结构和工作参数，并利用注波互作用非线性理论进行分析。模拟结果表明：在注电压为35 kV，注电流2 A，速度比为0.75时，该高频结构在140 GHz频点获得12 kW峰值输出功率，17.1%电子效率和38 dB饱和增益，3 dB带宽达到6 GHz。

采用一维自洽束波互作用的非线性理论，探索了相对论速调管放大器(RKA)的束流调制特性，并与二维PIC结果进行了比较和分析。首先推导了环形电子束的几何因子，然后分别给出了两腔调制时归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程。采用调制电子束激励中间腔的非线性理论估算了中间腔间隙电压的幅度和相位，幅度的相对误差为0.07%，相位误差为2.15°。给出了输入腔和中间腔的间隙耦合系数公式，对于束压为715.2 kV、束流为8 kA的电子束，当输入腔和中间腔间隙电压分别为14，315.2 kV，输入腔和中间腔相位差为90.59°时，采用一维非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了基波电流调制系数和距离的关系。对于基波电流调制系数，中间腔之前处于线性区，理论值与模拟值比较一致；在中间腔内部基波电流调制系数出现明显的下降，理论值与模拟值之间的差距较大；中间腔之后处于非线性区，对于基波电流调制系数的最大值和对应的纵向位置，理论值与模拟值基本一致。当束流传输距离为65.8 cm时，计算了归一化电流和归一化电子束动能随时间的变化和电荷守恒参量N(z)与调制电流的n次谐波的电流调制系数随传输距离的变化情况。

分别给出了归一化调制电流和电子束动能的积分微分方程, 并提出了完整的数值计算方法。对于束压束流分别为511 kV, 5 kA和800 kV, 8 kA两组典型参数, 采用非线性理论和二维粒子模拟程序分别计算了电流调制系数和距离的关系。在线性增长区以及当调制电流达到最大值并开始缓慢下降后, 理论与模拟都符合得很好。此外还计算了电子束动能和调制电流的n次谐波的模式强度随归一化距离的变化情况: 一次和二次谐波强度较大, 八次以上谐波幅度较小而可以忽略。

建立了大轨道电子注回旋行波放大器的非线性理论,并考虑了电子注偏心时的情况.利用该理论分别研究了大轨道电子注偏心对工作模式和返波振荡模式的影响.结果表明,对于工作模式,偏心导致放大器的平均单位长度增益下降,而对于返波振荡模式来说,偏心导致了可能存在的振荡模式发生变化,使得大轨道电子注偏心时的模式竞争更加复杂.

为了对扩展互作用振荡器(EIO)进行更为高效研究与设计，提出了一种非线性理论与数值模拟相结合的方法对其进行分析，编制了基于一维电子圆盘模型的数值计算程序，并结合MAGIC模拟结果对其准确性进行了讨论。非线性模拟中，35 GHz EIO输出功率为125 W，频率为35.01 GHz，对应的MAGIC模拟结果分别为100 W，35.11 GHz; 110 GHz EIO输出功率为220 W，频率为107.9 GHz，对应的MAGIC模拟结果分别为190 W，107.93 GHz。非线性方法使得模拟速度有了很大的提高，单次计算时间小于5 min，并且所得数据与传统软件模拟得到的特性曲线相比变化趋势一致、数值上也较为接近。