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返波管（Backward Wave Oscillator,BWO）是输出微波功率最高的微波器件之一,相对论返波管振荡器需要一个体积庞大、高耗能的引导磁场系统。本文主要目的就是解决磁场问题,对小径向尺寸的低磁场返波管进行了研究。本论文共分为3部分:第一部分包括第二章和第三章,它主要对返波管振荡器进行了理论研究,推导了返波管产生的微波的频率与电子束参数、慢波结构参数之间的解析关系式,对正弦慢波结构给出了较为准确的结论,为返波管优化设计提供了理论指导;同时,从线性化的Vlasov方程出发,首次推导了返波管产生的微波功率与引导磁场之间的关系,该结论与以前的实验结果基本一致;第二部分包括第四章和第五章,它首先通过数值模拟对相对论返波管振荡进行了设计,在返波管为七腔结构（腔的平均半径为1.527cm,腔的深度0.375cm,轴向周期1.7cm）、电子束为环形电子束（电子束束环平均半径为0.95cm,束环厚度为1mm）、电子束束压为900kV、电子束束流为6.7kA、引导磁场为3.2T时,得到输出微波功率约为1.2GW,输出微波的频率为9.4GHz,束波转换效率约为20%;然后对相对论返波管振荡进行了实验研究,二极管电压约为790kV、电流约为6.7kA并以100Hz重复频率运行时得到了微波输出功率为1.4GW、微波频率为9.4GHz、微波脉宽为30ns、束波转换效率为26%且100次波形之间分散性较小的实验结果;第三部分包括第六章和第七章,首先对低磁场返波管振荡器的数值模拟,当电子束束压为760kV、束流为7.2kA、引导磁场强度为0.73T时,输出微波功率约为1.2GW、微波频率约为9.3GHz,微波模式为TM01,束波转换效率约为25%;然后对低磁场返波管振荡器进行了实验研究,当引导磁场强度为0.68T、电子束束压为740kV、总电流为12kA、束流为7kA时,低磁场返波管振荡得到频率为9.1GHz、功率为1.15GW、模式为TM01模、脉冲半高宽越22ns的微波输出,器件的束波转换效率约为22%,该结果与国内外低磁场器件的水平相当,但是本器件有一个明显的优势,那就是器件的径向尺寸是同波段的低磁场器件中最小的,因此也是最有利于实现永磁包装的低磁场器件。