介绍了105/140 GHz双频兆瓦级回旋管的设计和最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、BN输出窗采用了双频共用的设计，电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪，收集极采用单级降压。在现有实验室电网功率容量有限的情况下，进行脉冲调试，得到的实验结果为：在重频1 Hz、ms连续短脉冲条件下，在105 GHz点和140 GHz点脉冲功率分别达到710 kW和1.057 MW，脉宽0.7 ms，对应总效率分别为34%和49%。在105 GHz点通过脉宽延展和老炼，进一步得到300 kW/2 s和400 kW/1 s的秒级脉宽实验结果，BN窗片的温度在两种状态下温度分别达到606 ℃和503 ℃，波束频率单一，没有杂模。实验基本上验证了该器件的物理设计。

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。

报道了聚变应用的MW级双频（105/140 GHz）回旋管的最新实验进展。该回旋管的谐振腔、准光模式变换器、输出窗采用了双频共用的设计，电子枪采用了双频复用的双阳极磁控注入枪，收集极采用单极降压。最新的实验表明：在重频1 Hz短脉冲条件下，在105 GHz点和140 GHz点，测试得到脉冲功率分别为710 kW和1.057 MW，对应总效率分别为34%和49%。这是国内首次在回旋管实验中实现1.0 MW功率输出。

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%。

设计了一支可工作于4～9次谐波的大回旋太赫兹振荡管，借助于三维粒子模拟，研究了设计的大回旋振荡管注-波互作用机理、高次谐波工作特性、谐波模式间竞争等关键特性。结果表明，通过调节磁场强度，可以在多个相邻谐波处连续激发振荡，实现频率为240 GHz到460 GHz之间的太赫兹波辐射，最大辐射功率为19 kW。同时研究了第7、8和9次谐波模式之间的竞争，讨论了实现稳定注-波互作用和高次谐波状态下单模工作的方法。此外，论文还对不同谐波状态下的欧姆损耗功率进行了研究。

太赫兹回旋管可实现高功率输出，并具有一定的频率调谐范围，是核磁共振波谱系统理想的高功率太赫兹辐射源。设计了263 GHz，TE_5,2基波连续调谐回旋管，通过磁场调节实现频率调谐范围为1.39 GHz，利用时域多模多频自洽非线性理论对设计的连续调谐回旋管非稳定振荡状态进行了研究。结果表明，在低次纵向谐波模式工作磁场范围内，当工作电流大于起振电流时，连续调谐回旋管先进入稳定状态，高次纵向谐波模式被抑制，工作模式TE_5,2的输出功率随时间不变；当电流增大，纵向谐波模式间的竞争引起回旋管由稳定状态进入到非稳定振荡状态，工作模式TE_5,2的输出功率随时间呈振荡变化且互作用效率大大降低；随着电流的进一步增大，回旋管又回到与低电流不同的稳定状态，互作用效率进一步降低。同时发现非稳定振荡状态的起始电流随着磁场增加而增大。本研究对需工作于稳定状态的面向DNP-NMR应用的连续调谐太赫兹回旋管的研制具有一定指导意义。

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。