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.

大功率速调管中输出腔影响着整管的效率和峰值功率。为了提高效率和峰值功率，本文对工作在 X波段的同轴多注速调管双间隙输出腔结构进行研究，通过理论结合仿真优化，得出合适的双间隙输出腔结构。最后与单间隙结构进行对比，证实双间隙输出腔可以提高输出腔的特性阻抗，降低间隙电场，展宽输出带宽。

给出了工作在高阶模式下的同轴腔回旋管振荡器，在考虑竞争模式情况下的多模起振过程的数理模型和具体的数值计算方法。以此为基础编制的程序对一只工作于高阶模式TE42,22，频率为0.22 THz的同轴腔回旋管振荡器进行了多模非线性模拟研究。结果表明：在合适的腔体结构参数并考虑腔壁上的欧姆损耗情况下，竞争模式得到有效抑制，可以稳定地工作在单一模式，输出功率达0.87 MW，效率为22.8%，腔壁上的欧姆损耗低于其所能承受的最大值。

设计了速调管的单间隙和双间隙圆柱同轴腔高阶TM310模式输出回路。为降低外输出腔的外观品质因数和增加腔内工作模式电磁场的均匀性，采用了在输出孔处腔内侧位置设置轴向短路金属线的措施。由等效电路理论分别计算了它们加载空矩形波导TE10基模时，腔内漂移管中心位置处的等效间隙阻抗及对应的输出带宽。计算模拟发现，与单间隙腔相比，双间隙腔具有较大的间隙阻抗及带宽。

利用3维电磁场与粒子模拟软件对S波段多注相对论速调管放大器进行了分析设计和模拟计算。通过对谐振腔本征模的计算确定腔体的冷腔高频特性，采用3维的粒子模拟软件（PIC）模拟分析速调管各腔及整管的束波互作用过程。模拟结果表明：通过引入同轴谐振腔结构，使电子注不必集中在谐振腔中心通过，降低了电场不均性对束波互作用的不利影响；通过引入多电子注，电子在相对较低的轴向聚焦磁场下依然拥有较高的通过率，降低了速调管对聚焦磁场的要求。模拟中采用3个同轴谐振腔进行束波互作用，在输入电压700 kV、束流5.8 kA和聚焦磁场0.4 T的情况下，得到了功率1.4 GW的输出微波，效率为35%。

通过选择适当电子初始的横纵向速度比,并引进坡度磁场的方法,来提高同轴腔电子回旋微波激射器效率.非线性模拟表明,用这种办法可以将德国卡尔斯鲁研究中心研制的同轴腔电子回旋微波激射振荡器的实验效率,从26.7%提高到31.5%.这种效率放大的物理机制是:坡度磁场改变了相对论电子的运动条件,有效地改善了波束互作用过程中电子的群聚状态,使电子束有更多的动能转换为电磁能,从而提高了电子束的换能效率.