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碳纳米管作为场致发射阴极具有快速启动、室温工作及高电流密度等诸多优点,在冷阴极电子枪及其器件中有广泛的应用前景。本文以碳纳米管作为阴极,研究了冷阴极电子枪设计过程中的关键问题并进行了加工测试,对用于微波管的冷阴极电子枪进行了初步设计与研究。首先,对碳纳米管阴极的二极场致发射性能做了研究,实验测试中得到了 34mA的最大发射电流,对应电流密度4.3A/cm2,阴极消耗功率为330W。在随后的阴极发射稳定性测试中,保持阴极发射电流为20mA,8小时内电流跌幅为3.8%,此碳纳米管阴极表现出了较强的电流发射能力及较好的稳定性。以上述实验为基础在电磁仿真软件中建立了碳纳米管场致发射模型,分别研究了不同阴栅结构对电子枪内电场分布及电子束形状的影响、不同栅网通过率对阴极发射电流及电子枪效率的影响以及不同栅网网孔对电子束成形特性的影响等问题。最后得出栅网通过率为80%左右时电子枪具有最大的引出效率,方孔栅网和轮辐栅孔栅网的透镜作用较弱,容易形成收敛电子注。其次,加工制备了冷阴极电子枪原型器件,进行了多方面测试实验:(1)不同栅网通过率的电子枪测试,论证了前述仿真分析结果;(2)直流油冷条件下电子枪测试,结果表明该结构冷阴极电子枪能够高效的完成场致电子发射及电子的引出;(3)脉冲水冷测试条件下电子枪测试,在脉冲测试下一定程度解决了电子枪热量无法及时排除的问题,得到了 76mA的发射电流,对应阳极电流为44mA。深入分析了实验现象,根据实验结果提出了下一步的优化解决方案。最后在上述理论及实验研究的基础上,根据皮尔斯电子枪原理,对用于微波管的冷阴极电子枪进行了设计与仿真实验,分别研究了平行注冷阴极电子枪和球形注冷阴极电子枪,分析了电子注形状、电子注层流性、电场分布等问题,得到了具有较好性能电子注的冷阴极电子枪,对不同结构聚焦极、阳极和装配及零件加工公差对电子枪的影响做了分析,为下一步冷阴极电子枪的研究提供了思路。