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。

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%。

基于开放式谐振腔及准光学模式变换理论，设计并实现了一种应用于回旋管振荡器冷测的高阶模式激励器。以140 GHz、TE_28，8模工作为例，通过计算机编程控制三维移动测量平台和网络分析仪完成了相应的实验测量。当模拟仿真获得在谐振腔激起频率为140.179 GHz、Q值为855、输出场分布与TE_28，8模的相关性为90.9 %时，对应设计构建模式激励器完成的冷测结果频率为140.155 GHz、Q值为876、横向电场明显具有TE_28，8的特征，为回旋管振荡器研究和设计过程检验提供了一个有效的实验平台。

基于TE01圆电模研究了椭圆型准光模式变换器，并提出用于快速设计椭圆结构准光系统的修正公式。利用修正公式设计的准光系统由椭圆型Vlasov辐射器与准抛物面镜组成。计算仿真结果表明，该椭圆体系所辐射的波束具有辐射方向性更好，副瓣增益更低的特性，并且其尺寸相比于传统的圆体系更小。

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。