为了实现高功率微波源低磁场及长时间稳定运行，开展了S波段GW级多注相对论速调管放大器（RKA）的理论模拟设计与实验研究。首先，采用一维大信号非线性理论软件优化设计了S波段4腔多注RKA，找到了器件工作的最佳参数：采用电压550 kV、束流4.7 kA的14注RKA，获得功率1.1 GW、效率43%的输出微波。随后，采用粒子模拟软件对理论设计的束波互作用参数进行了验证，获得了输出功率992 MW，器件效率为37%。最后，根据模拟参数开展了器件重频长时间运行实验研究。采用紧凑同轴Marx功率源驱动S波段四腔多注RKA，在电压530 kV、束流5.4 kA、重频20 Hz、运行时间1 s、引导磁场强度0.39 T、注入微波功率1.7 kW的条件下，获得了功率934 MW、脉宽69 ns的输出微波，束波转换效率33%。在器件重频20 Hz、运行时间10 min条件下，坚实了平均功率889 MW、平均脉宽42 ns的输出微波。该研究结果为S波段RKA的低磁场和长时间运行打下了的技术基础。

多电子注集成实现微波放大是毫米波行波管获得大功率微波的一种实用化途径，研究了一种多注集成阵列梳齿型慢波结构（MCW）。该慢波结构具有天然的电子注通道，同时耦合阻抗明显高于单注的梳齿型慢波结构（DCW）。为了验证该特性，使用Ka波段三注集成阵列梳齿型互作用回路进行了仿真和实验研究。互作用电路的材料选取高电导率无氧铜，通过CNC铣削的工艺进行加工。冷测实验发现仿真和测试的结果具有很好的一致性，且在32~39 GHz的带宽内，S₁₁小于-15 dB。在仿真软件CST PIC工作室中，50个周期的慢波结构与三个电子注（每个电子注的电压为12.9kV，电流为67mA）进行注波互作用模拟仿真。仿真表明，MCW在32~36 GHz的带宽内比DCW具有更高的输出功率，增益和电子效率。该器件的最大输出功率约为132.8 W，相应的电子效率为5.12％，增益为41.2 dB，大于DCW的1.2%和25 dB。MCW行波管的高功率和高效率特性，使其在基于点对多点传输的毫米波无线系统中具有潜在的应用价值。

传统的医疗及工业用直线加速器系统中一直使用磁控管作为功率源，特别是一些紧凑型加速器系统中，磁控管因为其尺寸与重量的优势成为唯一选择。通过利用多注速调管的低电压、尺寸小、重量轻的特点，研制成功功率量级远超磁控管同时尺寸重量接近的多注速调管，这将会为医疗及工业领域带来新的应用模式与产品类型。为满足医疗及工业辐照用中低能电子直线加速器的需求，近年来已研制出各类型高峰值功率速调管，在癌症治疗、无损检测、工业辐照等方面获得了广泛应用。介绍了一种小型化加速器用X波段多注速调管，其具有工作电压低、效率高、体积小、重量轻等特点，可应用于中低能放疗设备及小型化无损检测整机的加速器系统中。本管研制中重点解决了一体化线包聚焦、集成式冷却等技术，样管尺寸为?200 mm×400 mm，重量为25 kg。三支样管测试已可稳定获得峰值输出功率3 MW。

反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管作为加速器系统的功率源，具有脉冲输出功率高、平均功率大、寿命长的优势，在工业辐照、放射治疗、无损检测等领域具有广阔的应用前景。设计并研发了一种可用于加速器系统的反转永磁聚焦C波段高功率多注速调管。其电子光学系统采用多电子注、周期反转永磁聚焦技术，高频系统工作在TM₂₂₀高次模式、多腔参差调谐，散热采用水冷方式。通过计算确定了结构参数，研制出速调管样管，通过测试，获得了大于3 MW的峰值输出功率，和计算结果相吻合。

介绍一种新型超宽带（相对带宽≥17%）S波段大功率多注速调管的研制过程及研制成果，该速调管首次在S波段实现了17%的相对带宽，带宽指标为国内宽带多注速调管首次实现。通过优化电子光学系统和高频段的参数设计、优化电子枪区的结构设计、优化整管散热系统设计等多项措施，提高电子注流通率及注波互作用效率，降低高频部分的散热压力，使该速调管仅在120 kW的峰值功率下实现了大于30%的效率及40 kW的平均功率。同时，通过近似连续波阴极发射电流密度的低阴极负荷设计、阴极区零部件多项预处理工艺措施等实现了3 ms脉宽的稳定工作及连续24 h稳定工作不打火。为实现3 min内满功率输出及2000 h的寿命，对阴极工作参数、电子枪区的工艺结构进行了反复优化。本项目在能够实现指标的前提下，进行了小批量的生产及车载环境的环境试验，并针对可能产生的不可靠性因素，进行了改进，使产品真正能实现工程化应用，为后续同类产品的设计提供有效的技术参考。

分析了采用单一同轴磁场时强流相对论多注阴极的侧端发射问题，研究了在不同磁场内半径和多注漂移管长度情况下多注电子束的传输效率。研究发现：由于引导磁场尺寸有限，高压下多注阴极杆及多注阴极柱的电子束发射是影响多注电子束传输效率的主要因素，且该部分电子束对多注漂移管入口管壁的轰击直接影响了多注速调管的重频能力。设计了采用永磁铁和同轴磁场组合工作的强流相对论多注二极管，理论分析和模拟计算证明：基于组合磁场的多注二极管可明显减弱甚至抑制多注阴极发射球头以外的电子束发射，并且组合磁场的磁场位形和强度可满足强流相对论多注电子束的高效、稳定传输。

首先通过理论分析确定影响多注电子束引入效率的主要因素，确定初步的结构参数；其次利用三维粒子模拟软件建立Ka波段相对论多注二极管模型进行仿真优化，使电子束引入效率达到89%；并开展了电子束的产生与传输实验研究，验证了粒子模拟仿真结果。在电子束电压502 kV、束流4.34 kA、轴向磁感应强度0.76 T的条件下，电子束引入效率达到了72%，由电子束轰击尼龙靶材获得的电子束束斑图表明，电子束在产生与传输过程中形状未发生畸变，产生的电子束直径约为2 mm。模拟和实验研究验证了设计的强流多注二极管可以产生高品质的电子束和实现高效率的电子束引入。