回旋管是基于相对论电子回旋脉塞原理的快波器件，能在毫米波到太赫兹（THz）频段范围内产生瓦级到兆瓦级的相干电磁辐射，是十分具有发展前景的太赫兹功率源之一。很长一段时间内，人们主要着眼于发展应用于核聚变等离子体加热、远程毫米波成像雷达、拒止武器以及材料加工等领域的毫米波-太赫兹高功率（百瓦到兆瓦级）回旋管。而近年来，应用于生物医学领域的中低等功率（瓦级到百瓦量级）太赫兹回旋管开始备受青眼。特别是对动态核极化增强的核磁共振谱仪（DNP-NMR）和太赫兹肿瘤治疗等应用而言，具有一定调谐带宽的低电压中低功率的回旋管是十分理想的太赫兹源。一方面，降低回旋管工作电压可大大减小电子枪、电源、收集极和冷却系统的体积，从而使得整个系统更加紧凑，有利于器件的运输和安装；另一方面，降低工作电压会引起电子相对论效应削弱，从而影响注-波耦合强度，并进而影响回旋管输出效率及频率调谐特性。本论文深入研究了低电压下太赫兹回旋管的注-波互作用机理及调谐机制，探讨了限制低电压太赫兹回旋管频率调谐的关键因素。从理论计算，物理分析，关键技术，系统设计等方面系统地围绕低电压太赫兹回旋管开展了研究工作，旨在改善低电压下由于电子相对论效应减弱所引起的注-波互作用效率低的问题，探索新型互作用电路及调谐机制，寻求低电压太赫兹回旋管的高效率、宽频带调谐方案，解决高工作效率与宽调谐频带难以兼得的问题，并设计出低电压、高效率、宽频带的紧凑型太赫兹频率调谐回旋管。

文章的主要内容及取得的创新性成果概括如下：

1、基于回旋管线性理论计算分析了常数、正弦及高斯轴向场型下回旋管频率牵引效应，讨论了不同场型下回旋管的频率调谐性能。在此基础上研究了不同电子注电压下回旋管频率调谐性能的变化情况。另外，作为对比，利用非线性理论研究了在一阶轴向模式下工作的回旋管在不同电压下的频率调谐性能。由此讨论了两种理论下计算结果的不同，阐述了两种理论的特点及优势。该研究结果可为连续频率调谐的低压中等功率的回旋管设计提供参考和帮助。

2、深入研究了太赫兹连续波回旋管的热-频率调谐性能，并给出了263 GHz太赫兹回旋管热-频率调谐具体方案。首次将回旋管非线性理论数值计算和多物理场耦合仿真相结合，计算了不同温度下互作用腔的热形变，并据此分析了腔体形变对电子注与电磁波互作用过程的影响。在此基础上，提出了优化的互作用腔体结构，结果表明在优化腔体中热调谐技术能有效增大回旋管调谐带宽，并能令回旋管始终保持工作于高效率的回旋单腔管状态。该研究结果可为低电压高效率宽带调谐回旋管的设计提供一种新的思路。

3、分析了330 GHz回旋管在超低电压（<1 kV）下的工作性能，明确了低电压下回旋管面临的由于电子注相对论效应减弱而导致的注-波耦合强度及效率降低的问题。并指出低电压回旋管工作于返波振荡态，对超低电压回旋管而言传统结构的互作用电路已不再适用。而改善注-波耦合低效的关键是提高返波强度以及增大电子注穿过腔体的渡越时间。在此基础上，提出了优化的互作用电路结构，结果表明优化后的互作用电路能有效增强电磁波与弱相对论电子注之间的耦合强度，从而提高回旋管输出效率，并提升回旋管调谐性能稳定性，令回旋管调谐带宽不受工作电压“钳制”。该研究结果可为发展小型化超低电压宽带调谐回旋管提供参考和帮助。