提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器（RBWO），其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构，较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分，插入同轴避免了高阶模式的竞争，使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时，插入同轴还起着模式转换的功能，将TM₀₂转化为TM₀₁，最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离，同时为电子束提供足够的预调制，实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计，在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下，获得了3.5 GW的微波输出功率，微波中心频率为9.46 GHz，转换效率约为35%。

为实现基于相对论返波管振荡器的高功率微波相干合成, 开展了针对锁相的低磁场返波管优化设计。通过优化中间调制腔的位置, 降低工作模式的 Q值, 达到降低种子微波功率的目的。以外注入微波锁相方式为例, 优化后的器件锁定增益大于 20 dB, 20 MW的注入微波功率即可实现对 GW级的微波输出的相位控制。研究结果对调制电子束锁相也具有参考价值。

在圆周对称的磁场作用下,环形电子束以一定角度轰击在圆柱面的相对论返波管振荡器（RBWO）收集极上并将能量沉积其中,采用蒙特卡罗程序FLUKA,建立了电子的能量沉积分布计算模型,研究了电子能量沉积分布规律；建立了背散射电子的运动模型,模拟了磁场作用下背散射电子的运动轨迹；研究了圆周对称径向磁场的近似方法。研究结果表明：随着磁场强度的增大,最大能量沉积密度增大,背散射电子在更靠近电子束入射区域的位置再次入射并沉积能量,且可能形成一个新的能量沉积峰值。在磁场强度较大时,采用单向的径向磁场即可较好地计算圆周对称径向磁场下背散射电子的能量沉积分布。

实现输出模式控制和纯化是过模相对论返波管振荡器物理设计的关键.结合数值仿真和粒子模拟,对一种宽间隙反射器过模相对论返波管内的同频高阶模式激励及其抑制进行了研究,结果表明:模式转换和激励是同频高阶模式的直接来源,合理优化慢波结构、反射器和二极管参数,抑制由工作模式向高阶模式的转化效率,调整由二极管区反射回束波互作用区的模式相位,实现了过模相对论返波管的高效率工作和高模式纯度微波输出;所设计的宽间隙反射器过模相对论返波管输出微波功率中TM01模式的比例高于98%,功率转换效率约40%,工作频率为9.87 GHz.

基于低磁场返波管振荡器的工作原理,设计了一个捷变频相对论返波管振荡器,该器件由两段对电子束参数要求基本一致的慢波结构串接而成,通过调节引导磁场强度实现器件频率的调节,使其分别工作于C波段和X波段。在电子能量和束流分别为670keV和8kA的条件下,当引导磁场强度为0.5T时,采用2.5维PIC程序模拟得到频率为6.28GHz、功率为1.0GW 的微波输出;而当引导磁场强度为0.8T时,得到频率为9.25GHz、功率为0.75GW 的微波输出。

研究了一种齿状阴极的电子束产生传输过程以及对相对论返波管振荡器产生高功率微波的影响。基于SINUS881加速器，利用束流轰击金属靶观测齿状阴极产生电子束在不同轴向位置上的角向分布，并开展了基于环形阴极和齿状阴极的X波段相对论返波管振荡器的实验研究。对不同齿数及尺寸对电子束流特性、器件输出微波功率和脉冲宽度的影响进行了分析。实验结果表明：当阴极的齿数增加到一定数量时，电子束的横向运动使得电子束在径向逐渐趋于分布均匀；与均匀环形阴极的打靶结果近似，此时，电子束对于相对论返波管振荡器产生微波的功率和脉宽影响不大。

基于TPG2000强流电子束加速器和带谐振反射器的相对论返波管振荡器,开展了X波段高功率微波产生实验研究,获得了功率约2.5 GW,脉宽约20 ns的微波输出。理论分析及模拟了不同倒角大小对谐振反射器的表面电场及截止性能的影响,并对不同倒角开展了实验研究。结果表明,对谐振反射器倒角可增加输出微波脉冲宽度,且随着倒角增加,微波脉宽增加,效率略有降低。在谐振反射器倒角5 mm情况下,利用电压900 kV,电流9 kA的强流电子束,实验获得了功率约2.5 GW、脉宽大于25 ns的微波输出。

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。