回旋行波管作为一种基于电子回旋脉塞理论的高功率微波源,因其高功率、高频率、宽频带等特点,在高功率毫米波雷达、高能粒子加速器等领域有着广泛的应用,因此在国际上受到了高度关注。作为回旋行波管的核心部分,磁控注入电子枪产生的回旋电子注质量的好坏直接影响着回旋行波管的效率。因此,如何降低电子注的速度离散,即获得高质量的电子注成为磁控注入电子枪设计的关键。本学位论文主要针对产生小回旋电子注的磁控注入电子枪进行研究。本文的主要工作和创新点如下:1、研究和分析了磁控注入电子枪的基本原理和设计理论,详细的阐述了电子枪设计的一般过程,并列出来了电子枪的设计方程组和限制方程组。然后对电子枪模拟软件EGUN的原理和应用进行了简要的介绍。为了提高磁控注入电子枪的优化效率,本文采用了两种数值分析算法——模拟退火算法和遗传算法。为了明确电子枪的优化方向,分析了电子注性能随一些重要参数的变化趋势。介绍了曲线结构电子枪,以Q波段磁控注入电子枪和W波段磁控注入电子枪为例,详细阐述了电子枪初始设计和数值优化的过程。通过对Q波段磁控注入电子枪引入曲线阳极结构,使用基于模拟退火算法的电子枪优化程序后,电子注的速度比保持在1.6,纵向速度离散从2.04%降低到0.72%;对W波段磁控注入电子枪引入曲线阴极结构,使用基于遗传算法的电子枪优化程序后,电子注的速度比保持在1.26,纵向速度离散从5.1%降低为1.5%。曲线结构电子枪的引入提高了电子注的一致性。2、Inverse磁控注入电子枪是电子注内发射方式的电子枪,其优点是:电子枪阴极加热灯丝的空间大,结构简单,利用高压油进行冷却降温,使得形成极上的温度得到有效控制,从而有效降低边带电子发射和热初速度离散。Inverse磁控注入电子枪是双频单带的电子枪,降低了结构的复杂度,提高了电子枪的利用率,增加了电子枪的多样性。通过使用基于遗传算法的电子枪优化程序后,电子注速度比达到目标值,并利用CST进行了验证。对电子枪进行热分析,通过优化电子枪阴极组件,提高灯丝的加热效率,降低边带温度分布。3、应用于宽频带回旋行波管的磁控注入电子枪能够在Ka全频带内(26.5~40GHz)产生高质量的回旋电子注,其优点是:工作频带宽,节约成本,同时给回旋行波管的使用带来了极大的方便。从工程应用上考虑,宽频带单阳极磁控注入电子枪相对于双阳极电子枪而言,结构复杂度降低,单阳极电子枪对电源的要求更低。并且电子枪阴极改为直型结构,有效地降低了二次电子的影响。对电子枪结构的改进同样提高阴极加热效率,降低边带电子发射率。