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追求更高功率、更高效率、更高频段、更长脉冲宽度(～100ns)始终是高功率微波(HighPowerMicrowave,HPM)领域的重要发展方向，目前，已有的高功率微波源向高频段拓展时(如Ku波段)，由于器件尺寸的减小，几乎均遇到射频击穿、脉冲缩短、收集极烧蚀等问题，并且该类问题在长脉冲平台和重复频率运行条件下更为明显。此外，HPM技术的进一步发展对HPM产生器件的尺寸、重量等外观参数提出了更高的要求，受HPM系统应用背景的牵引，紧凑型、小型化、高能量效率的微波源备受青睐。为此，本文基于径向线高频结构，提出了一种径向线相对论速调管的技术方案，能够在高频段兼顾高功率容量、高束波互作用效率，同时，其空间电荷效应低，轴向结构紧凑，所需导引磁场强度低且磁场利用率高，有利于永磁包装小型化设计。本文以理论分析、粒子模拟和实验验证相结合的手段对该技术方案进行了系统研究，重点突破了径向辐射状强流电子束均匀发射与稳定传输、径向线结构高效率束波能量转换、器件永磁包装小型化设计等关键技术，研制出了GW级的Ku波段径向线相对论速调管振荡器(RadialLineRelativisticKlystronOscillator,RL-RKO)，为该技术方案的进一步发展奠定基础。论文主要研究内容和结论如下：
理论分析了径向电子束传输过程中的物理问题，为获得较高质量径向电子束提供理论依据。分析了径向线结构的空间电荷效应，空间极限电流与半径近似呈正比例关系；推导了磁聚焦径向辐射状电子束的包络方程，得到径向电子束的运行轨迹包络；建立了径向束发射与传输模型，分析了径向电子束在二极管区域的自磁绝缘效应，自磁绝缘效应将导致电子束沿轴向向下游偏移，偏移量由导引磁场强度和二极管电压电流参数共同决定；对径向束传输过程中的扭曲不稳定性进行了分析，该不稳定性主要由电子束发射的角向不均匀引起。
研究了径向线谐振腔束波互作用相关理论，为径向线HPM产生器件设计提供理论依据。利用场匹配法推导了径向线单谐振腔的谐振特性，证实径向线TM01模式具有“体波”特征；利用单粒子运动理论，推导了径向电子束的耦合系数与径向线结构的空间电荷波色散关系；基于空间电荷波传输理论，推导了径向线相对论速调管放大器(RadialLineRelativisticKlystronAmplifier,RL-RKA)的小信号理论，可近似预测输入腔的基波调制电流分布。
对Ku波段RL-RKO进行了设计。利用电子束电导确立3π/4模为四间隙调制腔的工作模式，基于束波同步条件选取了三间隙提取腔(工作于π模)的间隙周期；依靠粒子模拟手段对器件参数进行了优化，在电压450kV、电流10kA，导引磁场0.5T的条件下，器件输出功率约1.6GW，频率为14.82GHz，效率约35%，高频结构表面最大射频场控制在800kV/cm以下；同时，对器件进行了三维粒子模拟验证，未发现非旋转对称模式的干扰。对Ku波段RL-RKO开展了实验研究，验证了该技术路线的可行性。设计并加工了Ku波段RL-RKO的径向脉冲磁场与微波辐射系统，以轰击目击靶的形式对径向强流束进行了诊断，在导引磁场0.43T的条件下，束流厚度约束至2mm左右，收集极位置的轴向偏移约1.6mm；实验中，以POCO石墨作为电子发射材料，当二极管电压为480kV，电流为12.8kA时，输出微波1.5GW，效率约24%，频率为14.86GHz，脉宽约16ns，实验结果与粒子模拟结果基本一致。
对径向线HPM器件的小型化方案进行了探索，提出了两种小型化方案。首先提出了软磁阴极减小阴极电子发射半径的思路，加载软磁阴极后，二极管区域的径向磁场增大了将近一倍，实验中，当电子发射半径为3cm时，电子束能够被稳定约束；此外，设计了径向永磁导引系统，对Ku波段RL-RKO进行了永磁包装，粒子模拟中，永磁包装RL-RKO可获得39%的束波功率转换效率，并且器件总重量小于50kg。
将径向线速调管由振荡机制改为放大机制，提出Ku波段RL-RKA思路并进行了相关设计，为高频段HPM空间相干合成技术提供思路。分别设计了种子信号注入系统、单重入式输入腔、两组双间隙群聚腔、三间隙输出腔等高频结构，相邻腔体之间通过TEM反射腔进行能量隔离；粒子模拟中，在电压300kV、电流4kA，导引磁场0.4T，种子信号功率10kW、频率14.25GHz的条件下，放大器输出功率445MW，效率约37%，增益为46.4dB，频率锁定为14.25GHz，相位抖动控制在±5°以内。
理论分析了径向电子束传输过程中的物理问题，为获得较高质量径向电子束提供理论依据。分析了径向线结构的空间电荷效应，空间极限电流与半径近似呈正比例关系；推导了磁聚焦径向辐射状电子束的包络方程，得到径向电子束的运行轨迹包络；建立了径向束发射与传输模型，分析了径向电子束在二极管区域的自磁绝缘效应，自磁绝缘效应将导致电子束沿轴向向下游偏移，偏移量由导引磁场强度和二极管电压电流参数共同决定；对径向束传输过程中的扭曲不稳定性进行了分析，该不稳定性主要由电子束发射的角向不均匀引起。
研究了径向线谐振腔束波互作用相关理论，为径向线HPM产生器件设计提供理论依据。利用场匹配法推导了径向线单谐振腔的谐振特性，证实径向线TM01模式具有“体波”特征；利用单粒子运动理论，推导了径向电子束的耦合系数与径向线结构的空间电荷波色散关系；基于空间电荷波传输理论，推导了径向线相对论速调管放大器(RadialLineRelativisticKlystronAmplifier,RL-RKA)的小信号理论，可近似预测输入腔的基波调制电流分布。
对Ku波段RL-RKO进行了设计。利用电子束电导确立3π/4模为四间隙调制腔的工作模式，基于束波同步条件选取了三间隙提取腔(工作于π模)的间隙周期；依靠粒子模拟手段对器件参数进行了优化，在电压450kV、电流10kA，导引磁场0.5T的条件下，器件输出功率约1.6GW，频率为14.82GHz，效率约35%，高频结构表面最大射频场控制在800kV/cm以下；同时，对器件进行了三维粒子模拟验证，未发现非旋转对称模式的干扰。对Ku波段RL-RKO开展了实验研究，验证了该技术路线的可行性。设计并加工了Ku波段RL-RKO的径向脉冲磁场与微波辐射系统，以轰击目击靶的形式对径向强流束进行了诊断，在导引磁场0.43T的条件下，束流厚度约束至2mm左右，收集极位置的轴向偏移约1.6mm；实验中，以POCO石墨作为电子发射材料，当二极管电压为480kV，电流为12.8kA时，输出微波1.5GW，效率约24%，频率为14.86GHz，脉宽约16ns，实验结果与粒子模拟结果基本一致。
对径向线HPM器件的小型化方案进行了探索，提出了两种小型化方案。首先提出了软磁阴极减小阴极电子发射半径的思路，加载软磁阴极后，二极管区域的径向磁场增大了将近一倍，实验中，当电子发射半径为3cm时，电子束能够被稳定约束；此外，设计了径向永磁导引系统，对Ku波段RL-RKO进行了永磁包装，粒子模拟中，永磁包装RL-RKO可获得39%的束波功率转换效率，并且器件总重量小于50kg。
将径向线速调管由振荡机制改为放大机制，提出Ku波段RL-RKA思路并进行了相关设计，为高频段HPM空间相干合成技术提供思路。分别设计了种子信号注入系统、单重入式输入腔、两组双间隙群聚腔、三间隙输出腔等高频结构，相邻腔体之间通过TEM反射腔进行能量隔离；粒子模拟中，在电压300kV、电流4kA，导引磁场0.4T，种子信号功率10kW、频率14.25GHz的条件下，放大器输出功率445MW，效率约37%，增益为46.4dB，频率锁定为14.25GHz，相位抖动控制在±5°以内。