为了发展冷阴极微波、毫米波电真空辐射源器件，本文对采用碳纳米管场致发射阴极的电子光学系统进行了研究。主要内容为：1．以实验测试数据为基础，结合Magic粒子模拟软件建立碳纳米管场致发射阴极仿真模型。对碳纳米管场致发射阴极的直流及脉冲发射特性进行了实验研究，在直径为4mm的圆形平面阴极上获得最大电流密度为127mA/cm~2，发射电流16mA。2．对利用大面积碳纳米管场致发射阴极产生大电流、高电流密度电子注的电子光学系统进行了研究。通过在阴极表面引入栅网结构，解决了碳纳米管阴极场致发射所需的强电场和电子束聚束问题，采用粒子模拟软件对上述电子光学系统进行了仿真。研究了栅网对注电流、注腰半径和电子注散射的影响，分析了阳极电压和外加轴向磁场对电子注的聚束作用。仿真结果表明在阴极发射面积为3.03cm~2时，该电子光学系统能够产生210mA、60kV，电流密度6.7A/cm~2，注半径为1mm的电子注。3．对采用平面阴极结构的碳纳米管场致发射电子光学系统进行了研究。该结构不仅更易于工程实现而且解决了电子聚束问题。研究了阴栅结构的轴向位置和聚焦极电压对电子聚束的影响。优化后的结果表明在阴极发射面积为50mm~2时，该电子枪能够产生45kV、300mA，半径为0.5mm，轴向离散比为0.2%的电子注。4．对采用碳纳米管场致发射球面阴极电子枪的8mm返波管振荡器进行了粒子模拟研究，采用盘荷波导慢波结构，优化后的结果表明，在工作频率为33.9GHz，该振荡器的效率为6.6%，平均输出功率为0.83kW。