目前,在遥感卫星、车载雷达、导弹导引头以及安防等领域的不断发展中,毫米波、微波真空器件扮演着关键角色。随着大功率、高增益、小型化等的要求进一步提高,想要进一步提升真空电子器件的功率只有通过提高电压和电流的方式,但是这样又带来较多的负面问题,例如高频击穿、供电系统的设计难度会显著增大。因此,想到从电子光学系统入手,发展出能够在较小的工作电压下达到高性能的电子枪。在考虑器件需求、聚焦难度、以及现有的设计方法之后选择了多注电子枪进行研究。本文介绍了紧凑型5注电子枪的设计、仿真和优化方法,它是一种能够服务于Ka波段多注扩展互作用振荡器(MBEIO,Multiple-beam Extended Interaction Oscillator)的电子枪。该研究通过器件参数的要求初步确定出电子枪的电压电流,然后在基本参数的基础之上利用三维仿真模拟软件CST,设计出了多注电子枪以及螺线管磁路聚焦系统。本文的主要工作包括以下几点:一、无外加磁场单注发射的皮尔斯电子枪的仿真与研究。由器件的指标要求出发,计算得到了电子枪合理的阳极加速电压和阴极发射电流。利用仿真软件CST对电子枪几何结构的参数进行确定和优化,例如阴阳极距离、阴极半锥角、聚焦极形状等。二、螺线管磁路系统的设计与仿真。螺线管磁路系统的应用可以产生聚焦磁场以此来对抗电子之间的空间电荷力并将电子压缩到电子注通道。根据已设计出的单注电子枪,由电子枪阳极通道等参数通过仿真确定出所需聚焦磁场大小,并完成螺线管磁路系统的设计。三、具有磁聚焦的5注电子枪的设计与仿真研究。着重的分析了电子枪区的螺线管磁路系统的磁壁磁饱和问题以及离轴电子注的径向磁场大小与离轴距离互相影响制约的问题,这些分析都是希望能够最大限度地减少电子注的角向旋转以及通道壁上的电子注轰击。利用仿真软件CST验证和优化5注电子枪的设计。模拟聚焦磁场对电子注的影响以确保电子注的刚性,层流性和通过率。最终在电子注通道中,计算得到每个电子注的填充比率为60%。四、在仿真优化的基础之上完成了螺线管磁路系统的加工及实验,该实验为以后的磁路系统设计打下了坚实的基础。本论文设计出一种工作在螺线管磁路系统聚焦磁场下的5注电子枪,该电子枪为研究多注电子枪提供了一种有效可行的研究方法。这种5注电子枪可用于实现更低的工作电压,更低的噪声和更宽带宽的真空电子器件。该电子枪的工作电压为19kV,总电子束电流为6A,仿真结果表明,电子枪的性能达到了基本的工作指标。