延长微波脉宽是高功率微波源提高单脉冲能量的重要发展方向,但目前遇到“脉冲缩短”这一国际公认难题。研究表明,器件中不期望等离子体的出现及演变是引起“脉冲缩短”现象的重要原因。本文通过理论分析、数值求解、粒子模拟的方法研究了阴极等离子体、电子束速度分布及收集极等离子体对L波段相对论返波振荡器的工作特性影响,为亚微秒长脉冲器件提供研究基础。首先,采用流体理论从轴向和横向两个方向探讨了等离子体的演化。等离子体主体轴向的加速度主要取决于数密度梯度;其横向速度和磁场强度成反比,和压强梯度成正比。通过求解一维等离子体的膨胀速度解析解,发现膨胀速度和等离子体主体的声速成正比。使用Mac Cormack方法数值求解流体方程,其膨胀速度的数值解处在cm/μs量级,并进一步得到等离子体压强的时空分布特性。其次,采用粒子模拟方法研究了电子束对微波输出的影响。结果表明,电子束的能散影响微波输出功率:夹角的存在改变了电子束的包络和速度,降低微波输出功率;速度分布标准差存在将降低电子束电子速度的一致性,从而降低微波功率输出;同样的角度值,负夹角的影响大于正夹角的影响,且10°夹角可使微波功率下降约10%。基于此,提出抑制角度影响的方法:提高轴向磁场抑制轴向膨胀速度以控制电子在各方向的分布,提高阴极等离子体稳定性;采用高电导率的阴极材料,减少焦耳热,降低温度,进而减小热速度的影响;采用大半径的空心电子束降低空间电荷场;提高阴极和二极管装配的同轴度。为测量电子束能量及能散,提出了一种测量电子束能量的方法,并通过粒子模拟研究对测量原理进行了验证。误差分析表明此种方法精度最高可达2%。最后,模拟研究收集极等离子体对输出微波的影响。模拟结果表明收集极等离子体影响微波输出的方式之一是通过释放额外的电子,影响束-波作用。通过进一步优化收集极结构,使其在模拟包含收集极等离子体的L波段相对论返波振荡器时,微波输出功率在50ns时刻因等离子体造成的幅值下降减小了600MW。