近十年来,在高功率微波的研究热潮中,引入了等离子体技术。引入等离子体能显著改善高功率微波源各方面的工作性能,已经成为高功率微波源发展一个颇有前景的新方向,等离子体行波管即是其一个典型代表。本文的主要任务就是研究和设计等离子体行波管电子光学系统,并进行粒子模拟。主要工作如下:1.根据强流电子光学理论,在填充等离子体条件下,设计平面阴极电子枪。选用圆形平面阴极;设计恰当的聚束极形状以控制电子束的成形,并使用解析法、电解槽法和数值方法三种方法进行设计;考虑阳孔效应对电子束传输的影响,修正阳孔效应,给出电子枪设计曲线;最后讨论一下等离子体阴极电子枪。2.设计部分屏蔽轴向聚焦磁场。选择电子枪阴极处于轴向聚焦磁场峰值的0.4-0.7倍处;漂移通道(互作用区)位于均匀轴向聚焦磁场中,以抑制电子束的空间电荷效应;使用反算法设计电子枪和漂移通道之间的过渡区。3.设计多级降压收集极。将电子按速度分类,高电位收集动能小的电子,低电位收集动能大的电子,使收集极几乎不消耗能量,同时尽量避免二次电子的发射,保证行波管的工作稳定性,此外还简单介绍了下气体电动态系统。4.进行PIC(particl-in-cell)模拟。建立电子枪和聚焦系统模拟模型,分别在真空和填充等离子体条件下进行模拟。发现填充等离子体能补偿部分空间电荷效应,改善电子束包络轨迹,提高电子的流通率,但是随着等离子体密度的增大,束电子会出现振荡不稳定性,遗憾的是通过反复多次模拟发现本文所用粒子模拟的代表性软件Magic无法用于模拟等离子体密度远高于束电子密度的情况。随后本文还模拟了四级降压收集极,模拟得到其效率为90.31%。