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相对论回旋管具有功率容量高、束-壁距离远、束-波换能谐振腔几何参数敏感性低的优点,可以在高频段特别是毫米波波段实现高功率、长脉冲输出。传统的热阴极驱动的回旋管输出功率最高也没有超过100兆瓦,采用爆炸发射阴极驱动可以获得更高的输出功率。国外在80-90年代开展了爆炸发射阴极驱动的相对论回旋管研究,但受到当时爆炸发射阴极技术水平等限制,这类器件的束流碰壁损失接近90%,电子束的速度离散大,功率效率比较低。而在国内,由于技术风险较大的原因,尚未开展爆炸发射阴极相对论回旋管的实验研究。近年来,以碳纤维阵列阴极等为代表的新型爆炸发射阴极发展迅速,实现了低发射阈值、低等离子体膨胀速度,给磁控注入枪（magnetic injection gun,MIG）的设计带来了较大的参数空间,可避免束流碰壁损失,有望降低速度离散,改善相对论回旋管的功率效率。但是,基于爆炸发射阴极的相对论回旋管中的较多物理、技术问题目前均未得到深入分析与研究。本论文对基于爆炸发射阴极的相对论回旋管开展了深入、系统研究。研究内容包括:1.研究爆炸发射阴极MIG的速度离散控制方法;2.研究适用于爆炸发射阴极驱动的相对论回旋管谐振腔设计,降低电参数的敏感性,并解决强流相对论电子束带来的严重模式竞争问题;3.研究电子束通道、收集极附近的“后腔体”的寄生振荡抑制方法。考虑到直接进行毫米波波段的研究面临更高的参数敏感性,整管的粒子模拟研究也比较困难,本论文选择先在X波段（8-12 GHz）开展系统研究,为相对论回旋管在毫米波波段的研究提供指导。本文的主要研究内容包括以下几个方面:建立了适用于任意形状横截面波导的回旋器件的线性、非线性理论特性的求解方法。基于场分布方程的展开求解了耦合系数、电子动力学理论色散方程、自激振荡和返波振荡起振电流。推导并求解了场波动方程与电子运动方程构成的回旋器件自恰非线性方程组,并在数值计算中引入了电子束速度离散的物理模型。利用线性、非线性理论以及粒子模拟的方法设计了X波段相对论回旋管谐振腔。在电压300 k V、电流500 A、磁场0.48 T以及速度离散15%的情况下,得到了TE01单模工作,谐振频率为10.3 GHz,输出功率为38 MW,束-波互作用效率为25.3%的粒子模拟结果。设计的相对论回旋管谐振腔具有较高稳定性和较大的参数变化适应性:在外加磁场为0.47-0.51 T,电子束电压为250-340 k V,电子束横纵比为0.9-1.4,引导中心半径为11-14.6 mm时,实现了TE01单模工作;在速度离散为25%时,仍然有超过20%的束-波互作用效率。设计了基于爆炸发射阴极的聚焦式相对论MIG。得到了电压300 k V、电流520A、引导中心半径13.1 mm、电子束横纵速度比1.2以及电子束轴向速度离散15.3%的模拟设计结果。利用理论和粒子模拟方法对MIG、电子束通道、谐振腔、谐振腔与电子束收集极之间的“后腔体”及电子束收集极组成的整管进行了研究。利用衰减陶瓷结构抑制了电子束通道的寄生模式振荡;巧妙设计了内导体锥面收集极结构,抑制了“后腔体”的寄生振荡。在电压为300 k V,电流为520 A,电子束轴向速度离散为15.3%的情况下,在整管粒子模拟中得到了同轴TE01模式工作、频率10.3GHz、功率35 MW、效率23.3%的设计结果。开展了X波段相对论回旋管的整管实验研究。在300 k V脉冲电压下,环形刀口石墨发射体和碳纤维阵列发射体分别在δ（发射面相对于阴极表面凹进去的数值）为0.5 mm和1 mm时,得到了接近设计值的电子束电流和引导中心半径。实验证实碳纤维阵列具有更低的发射阈值、更强的电流发射能力以及更好的均匀性。在谐振腔的冷测实验中,得到了同轴TE01模式的谐振频率为10.11 GHz,Q值为101,与仿真结果相近。在初步微波产生实验中,在均匀区磁场为0.55 T,电压为300 k V,电子束电流为500 A的情况下,得到了稳定振荡的微波信号,脉宽为40 ns,中心频率为设计的10.3 GHz,微波功率约为9 MW。开展了X波段相对论回旋管的改进实验设计。初步实验中的碳纤维阵列阴极MIG在0.55 T的工作磁场下横纵速度比只有0.7,速度离散高达35%。为了进一步降低速度离散、增大单阳极MIG的工作磁场范围论文设计了内发射聚焦式MIG,模拟中横纵速度比为1.2,速度离散为12.1%,大幅度降低了设计中的速度离散,能够大幅度提高微波的输出功率。设计了Ka波段百兆瓦级功率的相对论回旋管谐振腔。通过优化,在电压为500k V,电流为2 k A,磁场为1.78 T,速度离散为10%的情况下,得到了TE02单模工作,谐振频率为30.7 GHz,输出功率为280 MW,束-波互作用效率为28%的粒子模拟结果,证明了设计方法的通用性。开展了共焦波导结构的220 GHz二次谐波回旋行波管放大器的设计,验证了第二章任意横截面形状的回旋器件理论的有效性。（见附录）