近年来,随着太赫兹科学技术的发展,回旋管作为太赫兹真空电子器件得到广泛的关注和研究。回旋管具有较宽的工作频率范围从毫米波到太赫兹波,它是一种以电子回旋共振受激发射为机理的快速波装置。并且可以产生连续波功率和高脉冲峰值功率。它在微波武器、等离子加热、雷达、先进加速器、通信等领域具有很高的应用价值。传统的回旋管大部分使用热阴极作为电子发射源,然而在实际应用中,热阴极的预加热,体积庞大以及寿命有限等缺点在一定程度上限制了其器件的发展,与之相比,场致发射冷阴极技术拥有优异的性能,尤其在制备小型化器件、降低系统的响应时间和减少系统的功率损耗等方面。碳纳米管由于其自身的优势,如:加工成本低,可靠的化学和时间的稳定性以及较大的发射电流密度,成为理想的场致发射冷阴极材料。本论文设计并研究了工作频率为300GHz的碳纳米管冷阴极回旋管。论文的主要工作如下:首先,设计适用于300GHz回旋管的碳纳米管冷阴极电子光学系统。该系统采用的是磁控注入式电子枪,首先采用腔内注波互作用耦合系数为0.292mm处,在粒子模拟仿真软件中对磁控注入式碳纳米管冷阴极电子枪进行设计,并对注波互作用耦合系数为0.292mm处电子枪的阴极磁场、阴极发射带宽度、第一阳极和第二阳极这些参数的变化对电子注的影响进行了分析,设计40.5kV/100mA的磁控注入式碳纳米管冷阴极电子枪,电子注横向速度离散4.5%、纵向速度离散5%、横纵速度比1.3。然后,为了增加电流采用腔内注波互作用耦合系数为0.845mm处,在粒子模拟仿真软件中对电子枪进行设计,对注波互作用耦合系数为0.845mm处电子枪的阴极磁场、阴极发射带、第一阳极和第二阳极这些参数的变化对电子注的影响进行了分析,设计35kV/200mA的磁控注入式碳纳米冷阴极电子枪,电子注横向速度离散3%、纵向速度离散4.5%、横纵速度比1.3。与注波互作用耦合系数为0.292mm处电子枪相比,注波互作用耦合系数为0.845mm处电子枪具有更高的电流但是模式竞争会很严重。接着,采用回旋管线性理论对回旋管注波互作用进行研究,通过计算确定谐振腔结构尺寸、工作模式和起振电流,并对磁场变化对注波互作用耦合系数为0.292mm处电子注输出功率的影响做了仿真,通过分析仿真结果发现当磁场为11.45T时,输出功率最大,工作模式为TE₀₃模式,工作频率为301 GHz,获得输出功率为410W,注波互作用效率大约为10%。分析磁场变化对注波互作用耦合系数为0.845mm处电子注输出功率的影响,通过仿真发现磁场为11.35T时,输出功率最大,工作模式为TE₀₃模式,工作频率为301 GHz,获得输出功率为900W,注波互作用效率大约为12.9%。