真空电子器件在国民经济和国家军事领域有着广泛的应用价值。传统的真空电子器件采用热阴极技术,其缺点是:需要灯丝加热,工作体积庞大;预热时间较长,响应速度慢;工作需要一定的温度,室温下不能工作。场致发射冷阴极由于其自身的优势:无需加热,室温下可以正常工作,响应速度较快,可以实现器件的瞬时性,被人们提出应用于真空电子器件。碳纳米管成为目前场致发射较为理想的冷阴极材料。其优势是:容易生长,成本低;相比于金属尖端,碳管材料不易损坏;具有相当可观的发射电流密度。结合以上诸多分析,本人选用碳纳米管作为发射电子源材料进而设计研究基于冷阴极的大功率真空电子器件。电子光学系统是真空辐射源一个至关重要的组成部分之一,因此,研制具有高质量电子注、大发射电流密度的碳纳米管冷阴极电子光学系统是本论文的一大研究重点。结合该项工作初期的理论计算和实验探索,提出了三种结构的电子光学系统:第一种是单栅结构的阵列式碳纳米管冷阴极电子光学系统,该结构采用栅控式场致发射,可以降低调节电压值;该结构的阴极基底采用的是柱状阵列,柱状体位于控制栅网网孔投影正下方,即每一个阴极柱与栅网网孔同轴,可以有效解决栅网截获的问题,柱状阵列有效降低静电屏蔽的同时可以提高场发射增强因子。仿真结果发现,该电子枪电子注通过率可达100%,阴极表面电场强度为4.8 kV/mm时,0.18 mm²有效发射面积的总发射电流为7 mA。第二种是双栅控制式平面阴极碳纳米管电子光学系统,该结构阴极表面采用阴极栅网对其阵列化,有效解决栅网截获、静电屏蔽效应等问题;与第一种结构相比,其最大的优势就是,该结构采用的是一个完整平面的冷阴极基底,对碳管种植技术要求不高,且阴极基底加工难度大大减小。仿真结果显示,在7.1 kV/mm阴极表面电场强度下,获得总发射电流达76.4 mA,穿过栅网及阳极筒后最终获得电流为76.3 mA,电子注通过率达¹00%,电子束压缩比为1/10.6。三极管实验结果显示,在7.154 kV/mm阴极表面电场强度下,获得总发射电流达77.1 mA,栅网截获电流为12.1 mA,阳极最终获得65 mA电流,电子注通过率达84.31%。第三种是曲面碳纳米管冷阴极双阳极电子光学系统,该结构采用台锥侧壁作为冷阴极发射面,由于该结构的特殊性,阴极发射面面积被大大提高,从而可以增大发射电流。与第一种和第二种的栅控式结构相比,该结构采用的是控制阳极,无需栅网,有效解决栅网截获问题,很大程度上提高了电子注通过率。仿真结果显示,在6.9 kV/mm阴极表面电场强度下,获得总发射电流达230 mA,电子注通过率达¹00%;电子束由最初的46.34πmm²被压缩到0.9πmm²,电子注压缩比为1/51.5。二极管实验结果显示,在7 kV/mm的电场强度下,获得最大发射电流为260 mA。第二种和第三种结构有实验结果的验证,因此采用这两种电子光学系统设计了8 mm和0.22 THz两个频段的返波管振荡器。在8 mm频段的返波管振荡器热腔仿真计算的结果中显示,利用第三种电子光学系统结构获得工作电流220 mA,该返波管平均输出功率为180⁴95 W。在220 GHz频段的返波管振荡器热腔仿真的结果中显示,利用第二种电子光学系统结构获得工作电流50 mA,当工作电压为21 kV时,平均输出功率为32 W。基于第三种电子光学系统的8 mm盘荷波导返波管的热测实验结果显示,工作电压调谐范围为36.88³7.8 kV时,有两个频率输出信号,分别是33.412 GHz和33.645 GHz,对应工作电流分别是285 mA和248 mA,最大输出功率分别为240 W和230 W。这个实验的输出采用的是一个8 mm圆波导TM₀₁转矩形波导TE₁₀的模式变换器,该模式变换器内两个目标模式之间的传输系数达-1dB时的频率范围为32.3³4.7 GHz,模式纯度大于99.5%。这项工作是迄今为止首次验证碳纳米管冷阴极在真空电子器件中可以实现百瓦量级的功率输出,其标志着碳纳米管冷阴极在真空电子器件应用中有了跳跃性的进步,为今后小型化、紧凑型的大功率真空辐射源提供了新的实现方法,为发展5G时代的高功率、高频率、超宽带的微型纳米冷阴极辐射源开启一个前沿探索研究。