多注相对论速调管放大器(Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier)利用多注强流相对论电子注并行工作,有利于降低空间电荷效应,提高注波互作用效率,降低引导磁场强度,研究采用多注电子注的相对论速调管放大器对提高高功率微波器件的性能具有重要的意义。本论文通过理论分析和数值模拟,结合相应的实验,对电子注形状分别为扇形和圆形的两种多注相对论速调管放大器进行了模拟研究,并在扇形多注相对论速调管放大器的实验中取得了功率为410MW的高功率微波输出。论文内容主要包括以下几个方面：1.根据强流相对论电子注的特点,结合大功率速调管的设计理论,得到了多注相对论速调管放大器的总体设计要求。文中给出了多注相对论速调管放大器的主要技术指标及其大致范围,研究了影响多注相对论速调管放大器性能的主要因素,得到了电子注参数的设计考虑及其确定方法,并详细分析了各个谐振腔的设计原则。2.根据多注相对论速调管设计理论,通过模拟计算,设计了一套电子注形状为扇形的多注相对论速调管放大器(Fan-shaped Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier)。利用数值模拟研究了各腔的高频特性、电子注在群聚段的群聚过程和输出腔中的微波提取过程,具体内容包括：各个谐振腔中的模式分布和工作模式的谐振频率、电场均匀性、品质因数和特性阻抗；输入微波的吸收与输入腔高频特性及电子负载的关系；电子注在通过输入腔和中间腔后的基波电流分量轴向分布以及杂频电流分量的抑制方法；单间隙输出腔中可能出现的射频击穿问题,采用双间隙输出腔的整管输出微波功率及其随聚焦磁场强度和输入微波频率的变化。在电子注电压1MV、电子注电流20kA、输入微波500kW、聚焦磁场1T的条件下,通过模拟设计得到了频率2.88GHz、功率4.73GW的输出微波,效率为23.6%。3.利用现有的实验平台,结合理论分析与数值模拟方法,对FMBRKA进行了实验研究。在实验中研究了各腔的高频特性、束流的产生及传输过程、电子在群聚段的群聚过程和输出腔中的微波提取过程,具体内容包括：各个谐振腔中的模式分布和工作模式的谐振频率及品质因数；电子注在传输至不同位置处的电流和形状；输入微波的吸收与输入腔高频特性及电子负载的关系；电子注在通过输入腔和中间腔后的基波电流分量以及杂频电流分量的轴向分布；双间隙输出腔后输出微波的频谱和功率。重点研究了电子注在空间电荷力作用下旋转而导致的束流损失问题和电子负载变化对输入微波吸收的影响。在电子注初始电压、电流分别为670kV、11kA,注入微波500kW,磁场1T的条件下,在实验中得到了功率为410MW的输出微波。4.针对FMBRKA实验中出现的束流损失问题提出了将电子注和漂移管形状改为圆形的解决方案,并进一步完成了圆形多注相对论速调管放大器(Circular Multiple-Beam Relativistic Klystron Amplifier)的模拟设计。本文分析了FMBRKA实验中电子注在空间电荷力作用下旋转的机理,针对由此导致的束流损失问题提出了电子注及漂移管形状和二极管结构的改进方案并进行了模拟验证,最终发展为圆形多注相对论速调管放大器。在圆形多注相对论速调管放大器的模拟计算中研究的具体内容包括：电子注注数与腔体类型的选择；输入微波功率对输入腔后基波电流分量轴向分布的影响；中间腔谐振频率和中间腔前的电子注基波电流分量对腔后电子注基波电流分量轴向分布的影响；单间隙输出腔前的电子注基波电流分量和输出腔频率对输出微波功率的影响；双间隙输出腔在降低间隙电场强度方面的作用；聚焦磁场强度对整管输出微波功率的影响。另外,还分析了该强流多注相对论速调管在采用多注环形电子注时对其基波电流分量轴向分布和微波输出功率的影响。设计得到的采用多注圆形实心电子注的相对论速调管在电子注电压700kV、电流5.8kA、注入微波65kW、磁场0.4T的条件下,输出微波功率为1.43GW,效率为36%。