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。

从抑制强场击穿的角度出发，结合传统理论和相关粒子模拟方法，设计并优化了工作于C波段的长脉冲相对论返波管。模拟中，利用强流相对论电子束的空间电荷场效应，将3 GW功率水平下电动力学结构表面的最大发射电场控制在700 kV/cm以下。利用实验室700L脉冲功率驱动源平台开展了相关实验验证，实验结果表明，通过合理的结构设计，在功率3 GW级水平下，C波段相对论返波管中的脉冲缩短问题能够得到有效抑制。实验中，当工作电压760 kV、电流为9.0 kA时，在4.23 GHz频点处获得的输出微波功率为2.8 GW，微波脉冲半高宽约101 ns，功率转换效率约41%，实验结果与模拟结果吻合较好。

为研究场致发射的温度效应对微波管中爆炸电子发射过程的影响, 在对比分析低温条件下的场致发射电流密度Fowler-Nordheim(FN)和一般的电子发射电流密度积分公式的基础上, 利用细长圆柱形微凸起模型, 重点考虑焦耳加热和热传导两个因素, 编程计算得到了微凸起内部的温度分布和不同位置处温度随时间的变化。结果表明:场致发射的温度效应是一个重要影响因素, 考虑温度对场致发射的影响后, 微凸起内部各点的温度随时间呈非线性增长, 且增长速率越来越大; 在微波电场强度较弱时, 若不考虑场致发射的温度效应而直接用FN公式表示的电流密度代入计算, 会使爆炸发射延迟时间变短; 当微波电场很强时, 温度效应对爆炸发射延迟时间的影响则较小。

针对气体碰撞电离过程，介绍了蒙特卡罗碰撞（MMC）的处理方法，利用MMC方法编写了气体碰撞电离模块，将其移植到3维全电磁粒子模拟程序NEPTUNE之中，模拟了充有He气的磁绝缘线振荡器（MILO）。模拟结果表明：当He气密度较低时，电离的正离子由于较重无法自由移动，形成了正离子通道，可以有效中和电子束空间电荷场，有利于电子束传输和群聚，提高了束波互作用效率，微波输出功率得到了明显提高，起振时间也有所缩短；当进一步增加He气密度时，电离碰撞增强，电子和离子数目会雪崩式增长，电子束由于碰撞增强而导致能散度增大，其负效应已经远大于中和空间电荷场的正效应，反而不利于电子束的群聚和共振，从而导致输出微波功率降低乃至截断，起振时间缩短是由于其在非雪崩阶段的正效应积累所致，但是随着负效应的增强起振功率不能得以维持，二极管最终将闭合。另外，还模拟了MILO填充空气、水蒸气及二氧化碳等多原子、多组分气体的碰撞电离物理过程。模拟结果显示，同压强情况下，填充空气、水蒸气及二氧化碳的脉冲缩短现象要比填充He气等较低原子序数气体的情况严重得多。

对微波射频场在微波管内引起的场致发射和爆炸电子发射及等离子体的产生进行了分析，推导了等离子体产生强度与微波振幅、材料的电阻率、热传导系数、质量密度和比热容之间的关系，得到了晶须温度分布的表达式，通过数值解析的方式总结出在远大于微波周期的时间尺度上晶须温度提高随时间线性上升。在模型所述材料特性下，温度的上升率达到了3.22×1010 ℃/s，在100 ns量级就可以使晶须发生气化形成等离子体。

提出并研制成功了开耦合孔锁定的长脉冲、重复频率运行的相对论扩展互作用腔振荡器(REICO)。将数值模拟和实验研究紧密结合, 分析了长脉冲REICO实验中模式竞争和脉冲缩短的根源, 提出了开耦合孔的三间隙扩展互作用腔结构, 有效抑制了长脉冲束流调制的模式竞争和脉冲缩短问题, 使调制束流脉宽由60 ns提高到140 ns, 调制束流由2 kA提高到5 kA, 经过优化REICO参数, 使器件的辐射微波功率和效率有了明显提高。采用500 kV/4.2 kA/210 ns/20 Hz的电子束驱动S波段REICO, 实现了峰值功率570 MW、频率2.89 GHz、脉宽大于160 ns、重复频率20 Hz的辐射微波稳定输出, 功率效率27%, 能量效率23%。

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。

脉冲缩短现象是高功率微波器件中普遍存在的物理现象,它将导致输出微波的能量低于预期值.用粒子模拟的方法研究了相对论返波管在填充氦气以及存在中性背景气体时的脉冲缩短现象.从计算结果可以看出,器件内残留的中性背景气体是产生脉冲缩短的原因之一,但并不是最重要的因素;对于充气的相对论返波管,为了展宽脉宽,充气气压必须控制在一个适当的水平.器件内部强电场的射频击穿和慢波系统表面的爆炸发射可能是引起脉冲缩短的更为重要的因素.

利用无箔空心石墨阴极和0.65T的脉冲引导磁场,从Sinus加速器二极管引出了电压约750kV、电流约8.6kA、脉宽40ns的环形电子束,经过输入腔和中间腔间隙调制后,得到了7kA/43ns的基波调制电流,经过输出腔间隙后,得到了2.1GW/15ns的最大微波输出功率,束波转换效率33%,最高增益为40dB,并发现脉冲缩短现象.