为了满足高功率微波系统对微波输出窗高功率容量和紧凑化的应用需求，以传统盒型窗的设计理论为基础，通过优化窗体结构和添加过渡段等手段，设计了一种C波段小型化高功率微波输出窗。通过增大窗体表面积、改变矩形波导-圆波导过渡段的连接方式可提高功率容量并缩小微波输出窗的纵向尺寸；采用“I”型的窗体结构可有效抑制三相点（真空-介质-金属）附近的次级电子倍增效应对输出窗性能的影响。在电磁仿真的基础上采用粒子模拟（Particle-in-Cell）的方法研究了微波输出窗三相点附近的次级电子倍增效应，从微观角度进一步证实了“I”型窗体结构可使三相点位置发生移动，减小三相点发射的电子在窗片表面产生次级电子倍增效应的概率，降低微波输出窗的击穿风险。设计结果表明，微波输出窗在中心频点处的主模反射系数低于0.01，传输效率高于99.9%，功率容量可达47.9 MW。

真空电子器件在毫米波和太赫兹波频段具有大功率的天然优势，可用于构建高效率、大功率的毫米波和太赫兹辐射源，对高功率微波技术及太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。输出窗是真空电子器件的关键部件，输出窗击穿是器件失效的主要原因之一，而次级电子倍增效应被认为是输出窗击穿的主要原因。本文梳理了目前分米波及厘米波波段真空电子器件输出窗的研究现状，在此基础上梳理了这一领域未来研究的主要发展方向，以期为未来真空电子器件向更高功率和更高频率等级发展提供参考。

以S波段高功率盒型窗为对象，采用Monte Carlo模拟方法对盒型窗内的次级电子倍增效应进行研究，探索次级电子的倍增规律。模拟得到了盒型窗内TE11模和TM11模共同作用下，两种陶瓷窗片表面次级电子倍增活跃的区域随传输功率的变化特点。在低传输功率下，次级电子仅在未镀膜窗片表面被激励，并以双面倍增的方式在金属法兰与镀膜窗片相对应的区域增长; 在较高的传输功率下，窗片表面的次级电子将以单面倍增的方式活跃在窗片表面与波导口相对的区域。传输功率的升高使得镀膜窗片表面的次级电子倍增活跃区域转移到矩形波导窄边对应的区域，并加剧了未镀膜窗片表面的局部倍增效应。

传统分析介质板次级电子倍增问题的粒子追踪算法方法存在运算耗时长、运算量大等缺点，为此采用统计方法实现了倾斜强直流场下介质击穿过程中次级电子倍增效应的数值模拟，给出了击穿过程中电子数量，电子渡越时间等关键参数的时间图像，同时研究了倾斜角、介质表面光滑度和次级电子产生率对次级电子倍增效应的影响。研究结果表明：强直流场下的次级电子倍增效应存在倾斜角的区域，倾斜角太大或者太小，都可能不会发生次级电子倍增效应，如果倾斜角位于区域内，则饱和状态时电子数目随着倾斜角度的变大而变小;选取光滑系数和次级电子产生系数越小的介质材料，抑制次级电子倍增效应的效果越好。

综合考虑发射电子的发射能量、发射角度及微波场的相位分布等因素, 运用统计方法, 研究了介质表面单边次级电子倍增过程中次级电子数目、瞬时直流场、渡越时间、微波场的沉积功率等次级电子倍增特征物理量随碰撞次数的变化过程, 仿真分析了不同夹角、不同反射系数对次级电子倍增的影响。研究结果表明: 当倾斜直流场一定时, 微波场的反射系数越小, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越大; 微波场一定时, 当直流电场平行于介质板表面时, 直流电场幅值越大, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越大, 但当电场强度超过一定值时, 次级电子倍增现象不再发生, 当直流场垂直介质板表面, 直流电场幅值越大, 雪崩击穿的延迟时间越长, 饱和状态下的次级电子数目越小, 幅值超过一定值时, 次级电子倍增现象同样不会发生。

通过对条纹相机光阴极在光电转换过程中光电子产生过程的分析, 推导了光阴极在软X射线波段的能谱响应灵敏度计算公式, 并运用该公式探讨了阴极厚度、掠入射角度等参数对能谱响应灵敏度的影响, 计算并分析了Au, CsI在0.1~10 keV范围内的能谱响应曲线和特性, 并利用标定试验数据对共识和模型的可靠性进行了验证。结果表明, CsI阴极的最佳厚度在60 nm左右, Au阴极的最佳厚度在10 nm左右; CsI阴极的能谱响应灵敏度比Au阴极高1~2量级。

利用自编1D3V PIC程序，数值研究了不同外加磁场方式对次级电子倍增抑制的物理过程，给出了次级电子数目、平均能量、密度、运动轨迹、渡越时间、介质表面静电场及沉积功率等物理量时空分布关系。模拟结果表明：不同方向外加磁场抑制次级电子倍增的机理有所不同。轴向外加磁场利用电子回旋运动干扰微波电场对电子加速过程，使其碰壁能量降低以达到抑制二次电子倍增的效果；横向外加磁场利用电子回旋漂移过程中，电子半个周期被推离介质表面(不发生次级电子倍增)，半个周期被推回介质表面(降低电子碰撞能量)的作用机理，达到抑制二次电子倍增的效果。讨论了横向磁场在回旋共振下，电子回旋同步加速导致回旋半径增大，电子能量持续增加的特殊过程。两种外加磁场方式都可以通过增加磁场达到进一步抑制次级电子倍增的目的。轴向外加磁场加载容易，但对磁场要求较高；横向外加磁场需要磁场较低，但加载较为困难。

从理论上分析了周期性矩形刻槽对喇叭天线输出窗真空侧次级电子倍增的影响。采用动力学方法分析得到电子沿介质窗表面运动的渡越时间和碰撞能量, 验证得到一定尺寸的矩形刻槽介质窗可以有效抑制次级电子倍增效应。在此情况下, 对比了刻槽和不刻槽两种输出窗的辐射特性, 发现周期2 mm、宽度1 mm、深度1 mm的矩形刻槽对介质窗辐射特性的影响可以忽略。