真空电子器件的阴极作为器件工作的电子发射源,被誉为是真空电子器件的心脏。由于场发射冷阴极具有效率高、功耗低、尺寸小、冷发射、瞬时启动等优点,被认为是可能代替目前广泛使用的热阴极的理想阴极。碳纳米管（Carbon Nanotubes,CNTs）具有极高的长径比、纳米级的发射尖端,以及良好的导电、导热特性、耐高温和耐粒子轰击等特点,是场发射冷阴极的理想材料,另外,CNTs薄膜制备工艺相对简单,具有在工业上大批量生产的可能性,因此,CNTs冷阴极技术已经成为最有前途的冷阴极技术之一,是近年来一直研究的热点。目前,CNTs冷阴极已在场发射平面显示器件、X射线源和新型光源等方面得到了初步应用。但微波真空电子器件中冷阴极电子枪要求较低的场发射的开启场和较高的发射电流密度和总发射电流。经过多年的研究,虽然CNTs冷阴极的发射电流和发射电流密度均有较大的提高,但迄今为止仍无法满足微波器件的要求,本文采用实验和计算机模拟相结合的方式,研究实现降低开启场、提高发射电流的CNTs冷阴极的制备方法;提出并研制了射频激励的冷阴极发射结构,设计了实现低工作电压小电流电子束的冷阴极行波管的方案。本文的主要研究内容为:1.低开启场、大电流的场发射冷阴极制备技术研究。改进工业丝网印刷方法,通过制备带有银浆过渡层的场发射冷阴极,减少CNTs被杂质覆盖,增强阴极与衬底的结合力,降低冷阴极开启场的同时提高发射电流。通过调节退火温度和改变发射材料等方法,对冷阴极的场发射性能进行优化。实验发现单壁碳纳米管（single wall carbon nanotubes,SWCNTs）冷阴极具备较好的场发射性能,并在500℃退火30分钟时,获得较好的场发射性能。其开启场和阈值场分别为0.9V/μm和1.5V/μm,最大发射电流达到15m A,最大发射电流密度达到12A/cm~2;本文还采用直接压印的方法制备带有银浆过渡层的场发射冷阴极,研究结果表明,压印的方法解决了丝网印刷阴极表面被杂质覆盖的问题,其开启场和阈值场进一步降低为0.6V/μm和1V/μm,脉冲最大发射电流高于10m A。与常规热阴极的发射电流密度（一般为10A/cm~2）相比,本文研制的冷阴极已达到小功率真空电子器件的应用要求;2.提出采用射频激励的λ/4同轴谐振腔冷阴极结构,在阴极表面形成强电场,实现无需栅极的冷阴极场发射。利用四分之一波长的开路线相当于短路线的原理,在阴极表面激励起均匀的强电场作为“虚拟”的栅极,使阴极在“虚拟”栅极的作用下产生场致电子发射。通过模拟仿真,结合本文所研究的低开启场SWCNTs冷阴极,加工了λ/4同轴谐振腔结构的冷阴极电子源。实验表明:直流静电场叠加射频电场后,阴极最大发射电流比仅静电场作用时增大30倍,达到24m A;3.设计了平面单栅冷阴极电子枪,通过增加聚焦极、优化调整其结构参数,实现了电子束的良好聚焦。其次,设计了无截获的平面双栅结构冷阴极电子枪,实现电子束流通率100%,解决冷阴极烧栅的问题。最后,设计实现了无栅极结构的平面冷阴极电子枪,压缩后的电子束最大电流密度达到138.6A/cm~2;4.采用射频激励的方法,仿真设计了虚栅冷阴极电子枪。通过射频电场形成虚拟栅极,实现无栅极场发射,且无电子截获。模拟研究射频激励的冷阴极电子枪的射频特性对电子束的聚焦特性的影响,以及电子枪结构对其射频特性的影响,获得射频激励冷阴极电子枪的设计方案;5.小功率冷阴极行波管仿真设计研究。根据场发射冷阴极的平面特性,模拟磁聚焦系统,优化电子束设计;模拟仿真冷阴极螺旋线行波管高频互作用结构,优化慢波系统的色散特性和传输性能,实现阴极发射电流10m A时获得8.6W的平均输出功率,增益为24.6d B。当冷阴极发射电流为50m A,平均输出功率可以达到50W,增益40d B。论文基于微波真空电子器件的应用需求,改进了场发射冷阴极的制备方法,通过引入过渡层的方法提高了CNTs冷阴极与衬底的结合力,降低了场发射的开启场、提高了发射电流,分别用丝网印刷和纳米压印的方法证明了该方案的可行性;提出并研制了基于λ/4同轴谐振腔结构的射频激励冷阴极;同时通过计算机模拟的方法设计了冷阴极电子枪和冷阴极行波管,为下一步研制中小功率冷阴极行波管打下了基础。本文的研究有助于冷阴极在微波真空电子器件中的应用研究。