太赫兹辐射源是制约太赫兹科学技术发展的瓶颈。回旋振荡管作为一种可在毫米波至太赫兹波频段产生瓦级至兆瓦级功率输出的大功率真空电子器件，已广泛应用于受控热核聚变的等离子体加热、波谱分析、通讯和生物医疗等领域。本学位论文针对波谱学中动态核极化增强的核磁共振(DNP-NMR)应用，开展太赫兹回旋振荡管频率调谐的研究工作。　　太赫兹回旋管需要很强的工作磁场，而所需强磁场只能采用超导磁体来实现，其结构复杂、成本很高。可以通过高次谐波工作来降低工作磁场，减小磁体成本，但谐波工作会导致电子注与波之间的耦合减弱、模式起振困难以及互作用效率低等问题。而且，太赫兹系统的应用和普及需要实现回旋管系统的小型化，为此需要尽量采用低电压工作，这会进一步增大模式起振的难度，限制其频率调谐性能。此外，回旋管在频率调谐过程中的轴向模式竞争问题也会导致互作用系统不稳定。为解决以上问题，本论文从回旋振荡管的非线性理论出发，开发了时域自洽的快速分析程序，对低电压、谐波工作方式下太赫兹回旋振荡管频率调谐过程中的轴向模式转移、轴向模式竞争、轴向模式调谐带宽受限等物理过程和相关问题进行了探索性研究。通过分析限制频率调谐性能的关键因素，以寻求超低电压、大带宽的太赫兹谐波回旋管频率调谐的可靠方案。本论文提出的方案与美国麻省理工学院(MIT)的方案相比，在降低工作电压、拓展调谐带宽和减小腔体热损耗方面均有所突破。　　本论文的主要研究内容与创新点如下:　　1.推导了回旋振荡管的时域自洽非线性理论，采用有限差分方法(FDM)编写了时域自洽的计算程序Gro-QPIC，集成了商业PIC软件粒子追踪的方法，计算结果与PIC软件模拟的结果具有良好的一致性。程序与商业PIC软件相比需要的计算资源和时间都大大减小，有利于快速分析频率调谐中的注波互作用过程。　　2.研究了低电压太赫兹谐波回旋管频率调谐的工作特点，分析了传统回旋管调频带宽较窄的局限性和互作用系统的不稳定性。研究发现，在两个带宽特性截然不同的工作区中，前向波和返向波的工作特点不同，二者的竞争和协作关系在频率调谐中起重要作用;对轴向模式竞争导致频率调谐的不稳定性分析表明，传统频率可调回旋管互作用腔体固有的轴向模式Q值分布特性是限制其频率调谐性能的主要原因。　　3.提出了一种拓展回旋管频率调谐带宽的方案，通过激发局部驻波场改变了互作用腔内场的能量分布特点，打破了传统互作用腔中固有的轴向模式Q值分布特性，减小了高阶轴向模式Q值的衰减，实现了轴向模式的Q值可控。基于该方案设计了用于DNP-NMR的330GHz二次谐波频率调谐回旋管，其采用的工作电压是目前国际可见报道的频率连续可调谐波回旋管的最低电压;采用的低Q值腔体能有效改善传统腔体中的热损耗问题;与MIT的方案相比，频率调谐范围可以增加1倍。　　4.提出一种提高频率调谐回旋管稳定性的方案，该方案抛弃传统连续可调谐回旋管腔体采用的线性渐变结构，而改用抛物线渐变结构。研究表明，选择非线性渐变结构可以明显减小频率调谐回旋管带内输出的功率振荡，尤其是在高阶轴向模式区，可以避免输出功率剧烈振荡导致连续调频被截断。　　以上第3点和第4点中的两种方案由于其物理机制，其应用不受回旋管工作模式、工作频率和工作谐波的限制，因此可以广泛应用于传统的回旋管频率调谐系统中，提高系统的性能。