回旋行波管是毫米波频段重要的信号放大器,可以应用于毫米波通信、大功率雷达系统、电子对抗等多个微波领域。回旋行波管相比于其他电真空器件而言,在毫米波频段具有大功率输出、宽频带、高增益等特点,因而对它的研究一直受到极大的关注。回旋行波管的高功率输出、稳定性工作受到收集极容量以及电子注传输稳定性的限制。对于大功率回旋电子注的产生与控制、大功率收集极的功率容量优化,是近年来国内外回旋行波管研制工作的重点。本学位论文结合本校“国家高技术研究发展计划-XX管技术”项目,对Q波段回旋行波管电子光学系统优化设计进行了创新性的研究与探索。近年来电子科技大学针对介质加载高频结构,对多个频段的回旋行波管进行了研制工作。在Ku、Ka、Q以及W波段得到了112 k W-190 k W的峰值输出功率,饱和增益38-69 d B,效率18%-23.3%。但要进一步提高回旋行波管的峰值功率、平均功率,电子注稳定性以及剩余高能量电子收集成为至关重要的问题。其次为了提升回旋行波管的设计效率以及设计质量,开发了回旋行波管软件设计平台,为回旋行波管的信息化设计与管理提供了良好的平台基础。另外针对提高THz辐射信号强度,对激光等离子体互作用机理进行了研究,改进了THz辐射实验平台,提升了THz信号强度。电子注的速度零散是影响电子注传输稳定性的重要因素之一。通过理论分析,设计了Q波段双阳极磁控注入电子枪,电子注速度比1.09,纵向速度零散1.43%;为了进一步降低电子注的速度零散,采用遗传算法,编制了磁控注入电子枪优化程序,优化后电子注速度比1.104,纵向速度零散0.72%,电子注速度一致性得到了提高。通过分析电子注速度零散的来源,引入曲线结构阳极,通过遗传算法优化,降低了阴极区电磁场分布不匹配,电子注纵向速度零散降为0.39%,电子注速度一致性得到了进一步提高。同时,为了提高电子枪阴极寿命,对磁控注入电子枪阴极展开热分析,优化阴极加热结构,阴极的加热效率提升1倍多。收集极是回旋行波管中电子注回收的器件,其功率容量是限制回旋行波管输出功率的重要因素。为了增加收集极的功率容量,电子注的有效耗散是关键。通过采用曲线结构收集极,增加了电子注的耗散面积及均匀性。曲线结构通过遗传算法优化后,最大电子注耗散密度为0.46 k W/cm2,与常规圆柱波导结构收集极相比较,最高耗散密度下降57%;同时研究收集极中二次电子发射,分析二次电子发射能力、发射能量以及发射角度分布,研究了二次电子对收集极耗散密度分布的影响;对收集极展开热分析,得出在曲线波导结构收集极下,收集极内壁温度分布更加均匀,内壁最高温度从227℃下降至142℃。由此可见曲线波导结构收集极具有更大的功率容量。从提升回旋行波管的设计效率、质量出发,开发了集协同仿真、质量管理、创新设计为一体的回旋行波管设计平台。根据回旋行波管各个零部件的应用需求,设计了能够满足多物理场仿真、自主优化的协同仿真平台。在此基础上,编写了回旋行波管零部件的设计优化模块,包括磁控注入电子枪设计优化模块、高频系统设计优化模块、收集极设计优化模块。并利用设计平台优化了一支Q波段大功率回旋行波管,在设计过程中实现了参数自主传递、结构自动优化、冗余度分析、自动生成工程图的一体化流程。回旋行波管设计平台提高了回旋行波管的设计效率以及容错率,为回旋行波管的信息化管理提供良好的平台基础。美国密歇根大学访学期间研究激光等离子体互作用机理。在Lambda Cubed激光器平台下,构建了THz辐射实验平台,并在实验中观测到了THz频段电磁辐射信号。为了得到更大的THz辐射信号,通过对THz辐射实验的研究,分析影响THz信号幅值的因素,在此基础上提出了优化等离子体分布增强THz辐射的方法。利用遗传算法编制了THz辐射优化控制程序,优化过后的THz辐射信号强度为原来的2.5-4倍。