效率是行波管(TWT)的重要技术指标，为提高某一0.22 THz折叠波导行波管的效率，需设计多级降压收集极。对注波互作用后的电子注信息进行分析，估算收集极效率最高时的电压设置。利用电磁仿真软件对三级降压收集极电极结构和电压设置进行仿真优化，得到效率大于87.5%，回流电流小于0.328 9 mA的轴对称三级降压收集极；在第二电极入口采用斜口结构进行仿真优化，得到回流电流小于0.075 mA的非轴对称三级降压收集极。结果表明，采用斜口结构可以有效降低0.22 THz行波管多级降压收集极的回流电流。

对170 GHz 兆瓦级回旋管单级降压收集极横向磁扫描系统进行了仿真. 采用单级降压收集极一方面回收了废电子注的部分活跃能量同时提升总输出效率超过55%. 横向磁扫描系统的引入扩展了废电子注轨迹长度至1100 mm, 使收集极表面热耗散保持在技术允许范围内. 此外仿真得到了扫描信号的调制深度以及横向线圈数的最优结果38.9%和6, 以及可接受的最大平均功率值117.1 W/cm2 . 为了确保在实际工作中的安全性和可行性, 设计了轴向开槽的收集极冷却系统, 利用软件ANSYS开展了收集极的热和流体分析. 得到收集极内外表面的最高温度各自为156.09℃ 和140.35℃. 进水口和出水口的水温范围分别为20~26.68℃和38.01~58.56℃.

主要介绍了某X波段大功率耦合腔脉冲行波管两级降压收集极的CAD分析、结构设计及研制结果。通过使用国营第七七二厂2.5维互作用程序软件包(TWTC软件)对行波管输出端96条电子轨迹的半径，轴向、径向速度模拟并分析，判断电子注层流性情况，然后对两级降压收集极进行光学设计、结构设计和热分析，装管验证结果表明：实测值结果与理论计算的两级降压收集极各电极电流分配比例、收集极效率等参数接近。

利用欧拉两相流模型和沸腾换热模型计算了高功率微波管收集极的散热问题。在给出电子束能量沉积规律的基础上，得到了热源项在收集极及冷却水中的分布形式。利用CFD软件计算了脉宽为45 ns、重频为50 Hz、平均功率为27 kW电子束作用下的收集极温度分布，重点研究了冷却水流速对散热效果的影响。研究结果表明，冷却水流速为1.5 m/s时，内壁面稳态峰值温度超过了收集极材料的熔点，会导致一定时间后收集极损坏; 散热峰值处对流换热大约占总换热量的71.7%，激冷换热大约占28.1%，相变换热占0.2%。冷却水流速小于5 m/s时，收集极最高温度随流速增加快速下降; 5~10 m/s时，温度下降缓慢; 超过10 m/s后，温度下降速度增大。针对该电子束条件，收集极安全工作要求冷却水流速不得低于5 m/s。

理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。

设计了一种适用于带状电子束高功率微波源的宽通带收集极,在有效吸收束-波相互作用后的带状电子束的同时,保证了带状电子束高功率微波源的工作模式——矩形波导TM11模式高效率地通过。研究结果表明：在13~27 GHz范围内,功率传输效率大于95%,这一宽通带特性使得该类型的收集极与带状电子束高功率微波源能够更好配合,显著提高了微波源的模拟优化和实验调试效率;TM11模式微波的传输效率对收集极厚度和长度等参数不敏感;该类型收集极结构具有良好的散热能力,在不加外部水冷装置的条件下,仅靠空气自然对流冷却和辐射冷却,可以承受电流3 kA、电压300 kV、脉冲宽度30 ns及重复频率50 Hz带状电子束的连续冲击。

利用粒子模拟软件和热分析软件，对W波段回旋行波管收集极区的电子轨迹和热分布进行了仿真计算。通过对收集极磁场参数的优化，调节了收集极区的电子分布，使得电子轰击区域从17.05 cm2增加到28.52 cm2，提高了67%，从而降低了单位面积的功率密度。通过对收集极内壁热分布的仿真分析，确定了1 kW/cm2的功率密度及1.12 L/s的冷却水流量，以确保收集极内壁温度低于材料熔点，不会产生物理损坏，使得收集极能够稳定工作，保证了管子的工作稳定性。通过热仿真计算验证了优化方案的可行性，并已应用于实际。