系统小型化逐渐成为各个工业领域的共同追求,同时也给微小零件的制造提出了更高的要求。当下的零件加工技术越来越难以满足日益减小的微型系统对精密零件的制造要求。譬如传统的机械加工技术受制于精度和刀具的影响而难以向亚微米-亚毫米尺度的微零件方面拓展,基于光刻的微加工技术受材料属性和零件三维结构的影响,只能在微米以下尺度施展拳脚,无法向金属微零件领域进军。以电子束熔融为加热方式的增材制造技术在复杂金属零件的制造上具有先天优势,只是受制于电子枪光束直径的限制而难以缩小零件体积。近年来,碳材料在场发射器件应用上的兴起或许为这一难题提供了思路,但是仍需对材料形态以及配套器件进行深度挖掘。为此本文采用仿真模拟结合实物验证的方法,以准宏观碳纤维为灯丝,场致电子发射为工作模式,设计了相应的冷阴极电子枪结构,研究了电子发射特性及其电子光学特性,并进行了器件试制。主要研究工作包括:（1）以铁颗粒催化的甲烷裂解方式生长并制备出了具有轴对称结构的三维立体准宏观碳纤维（Quasi-Macroscopic Carbon Fiber,QMCF）灯丝材料,并研究了其器件化过程及电子发射特性。表征测试结果表明,其直径大多在10-20μm之间,长度在cm级别,属于准宏观范畴。同时其独特的半球状发射端面为场发射电子枪的电子发射和束流汇聚奠定了良好基础。对该材料的场发射特性测试表明其总发射电流可以达到1mA以上,二极光斑测试与对照模拟计算确定了其发射面场强确为阶梯式分布,有效发射角θ集中在30°范围内。（2）采用仿真模拟与实验结合的方式对典型三极枪进行了模拟计算与实物验证,得到了栅极各结构参数对电子枪发射性能的影响规律,确定了最优结构参数和工作参数,并以此为依据对三极枪的结构进行了设计与定制。在经过了设备改造、零件预处理、组装后,依照仿真参数对实物进行了测试,其结果基本与仿真结果一致,束斑直径在0.5mm左右,最大发射电流可以达到0.271mA,对应电流密度为539.41A/cm~2。（3）引入聚焦极将三极结构升级为四极结构后,进一步提高了电子束聚束效果。分别对30kV与60kV下的四极电子枪进行了仿真,同时缩小整体尺寸与装配精度,对60kV下的多极电子枪进行了模拟仿真,将电子枪的束斑直径缩小到了20μm以下。经过实物设计与组装后,在四极枪内研究了准宏观碳纤维的形貌对电子枪性能的影响,并在30kV下对四极电子枪进行了实验验证,其结果与30kV下的模拟结果基本一致。上述研究结果对于电子微束增材制造以及电子枪及电子光学系统的搭建有一定的参考价值。