在高功率微波(High-Power Microwave,HPM)技术领域,以爆炸发射冷阴极为基础的强流脉冲电子束源一直受到研究人员的关注。为提高HPM产生的技术水平,强流脉冲电子束源在发射材料、制备技术、二极管物理和束流品质诊断等方面亟需深入研究和拓展。20世纪90年代发现的碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs),在场发射领域表现出了极大的应用价值,为寻找新型强流电子束源提供了机遇。目前关于CNTs强流发射特性的报道较少,研究仍处于起步阶段。基于此,论文围绕碳纳米管微观形貌和材料参数对其发射特性和失效机理的影响、碳纳米管阴极的制备和强流脉冲发射特性研究、电子束均匀性诊断以及阳极对强流二极管工作特性影响等多个方面开展了系统深入的工作。论文的主要内容和结果如下:1、碳纳米管阵列的电场屏蔽效应和最优化分布密度给出了碳纳米管阵列电场屏蔽效应的直观物理图像,并对电场屏蔽效应发生的条件和相关参数的影响进行了讨论,结果表明当碳纳米管间距和高度之比小于2时,必须考虑电场屏蔽效应对碳纳米管阵列发射性能的影响。利用有限元模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了碳纳米管阵列场发射性能,结果表明单纯的提高发射点个数并不一定能提高整体的发射能力,需要综合考虑碳纳米管的个数和单根碳纳米管发射性能,存在一个分布密度最优值。讨论了最优密度分布与阳极电压Ua和碳纳米管长径比的关系。2、碳纳米管真空击穿起动和热-场致发射失效机理综合考虑热辐射、Nottingham效应以及接触面焦耳热效应对碳纳米管电子发射过程中能量交换的影响,同时采用Murphy-Good公式对碳纳米管热-场致发射电流密度进行描述,建立了碳纳米管瞬态热响应方程。在此基础上,利用COMSOL Multiphysics的热传导模块,研究了宏观电场强度,碳纳米管尺寸,物性参数,接触电阻,衬底物性参数和衬底材料对碳纳米管真空击穿起动和阴极失效特性的影响,结果表明碳纳米管热-场致发射有3个典型的热响应状态,包括:热平衡,真空击穿和衬底融化,它们的相互转换与碳纳米管长度密切相关。临界长度的取值范围与宏观电场强度,碳纳米管尺寸,物性参数,接触电阻,衬底物性参数和衬底材料存在依赖关系。3、碳纳米管阴极的制备和强流发射特性研究采用电泳沉积法、碳纳米管纸涂覆法和化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制备了三种碳纳米管阴极。在此基础上,从强流发射性能、阴极等离子体膨胀、阴极起动、发射均匀性、工作稳定性以及脉冲放气特性等多个方面,对比研究了碳纳米管阴极和化纤天鹅绒阴极的强流脉冲发射特性,结果表明碳纳米管阵列和碳纳米管纸阴极发射性能明显优于普通化纤天鹅绒;碳纳米管阴极发射性能与碳纳米管取向无关,管壁的缺陷发射对无序碳纳米管阴极强流发射具有重要贡献;碳纳米管阴极的起动场强约为普通化纤天鹅绒的2/3;当电场强度上升率相同时,碳纳米管阴极比化纤天鹅绒阴极起动时间短12~17ns;碳纳米管阴极发射均匀性优于化纤天鹅绒,尤其是碳纳米管阵列,整个阴极表面等离子体光斑致密且均匀;在二极管本底气压为6×10-3Pa时,碳纳米管纸阴极对应的二极管峰值气压不到0.3Pa,约为普通化纤天鹅绒阴极的1/5,碳纳米管阵列阴极放气量在三种阴极中最少,峰值气压仅为0.042Pa。4、电子束均匀性诊断研究了基于切伦科夫辐射的电子束均匀性诊断方法,相对于其他光学诊断方法,切伦科夫辐射具有时间分辨率高,低能量电子束光产额高的优点,在强流电子束源均匀性诊断方面极具潜力。利用粒子模拟软件、蒙特卡洛模拟软件CASINO和Fluka对阳极套筒结构、石英辐射靶厚度以及辐射特征进行了模拟,确定了诊断平台的结构和相关参数。在此基础上开展了电子束发射均匀性实验,拍摄到了电子束产生的切伦科夫辐射光斑及其时间演化过程,时间分辨率为10ns。5、阳极对强流平面二极管特性的影响基于电荷守恒定律、能量守恒定律和一维稳态泊松方程,推导了考虑阳极离子流影响的无限大相对论平面二极管层流模型和临界条件。利用粒子模拟软件研究了阳极气体种类和离子动力学特性对二极管工作特性的影响,结果表明相比于水蒸气,CO2电离产生的C+离子流能在较低的气压时达到空间电荷限制条件;离子渡越时间可以用来估算二极管电流激增的起始时刻,它与二极管间距、离子质量和饱和因子成正比,与二极管电压成反比;当阳极表面离子数密度大于阴极表面离子数密度的25倍时,二极管达到空间电荷限制双极流状态。实验研究了阳极离子流的产生及对二极管工作特性影响,结果表明阳极离子流的形成时间随着辐照功率的升高而减小;在同等辐照功率下,阳极离子流的形成时间随着阴阳极间距的减小反而增大;电脉冲后期,由于阳极等离子体的出现和膨胀会导致二极管闭合速度加快,这种情况在阴极不均匀发射时尤为严重;强流电子束多炮次轰击后阳极表面烧蚀严重,部分阳极材料溅射到阴极表面造成化纤天鹅绒纤维膨胀,较大尺寸的溅射物还会造成化纤天鹅绒粘连。