微波真空器件诞生于上世纪三十年代,在第二次世界大战中,由于雷达、通信、导航、电子对抗使用的迫切需要,使其得到了空前的发展。二战后,许许多多的微波真空器件相继发明创造出来,一直到上世纪六十年代,其在我国军事应用与国民生活中仍然占有非常重要的地位。尽管上世纪末,半导体器件的强势侵入,在一定程度上代替了某些小功率的器件,但是真空器件在高频率、高功率的领域仍然占有绝对优势。电子枪作为电真空器件的“心脏”,研究设计出低速度零散、大束流高质量电子枪也是非常重要的。在微波真空器件中,电子注被加速到接近光速的速度,携带有非常高的能量。现代军事电子装备中,要想立于不败之地,高功率微波真空器件仍起着十分重要的作用。普通微波真空器件,例如行波管、回旋管、返波管等的发展虽然已经相当成熟。但是随着器件工作频率的增加,由于现有器件机理的限制,普通微波真空器件在毫米波波段呈现出很多弊端:加工难度极大、成本高、零件尺寸极小、整个真空管不利于器件的小型化、阴极发射密度有限、阴极及整个管子散热困难等,使得管子难以达到很高的输出功率和效率。因此,除了从多方面进行改进,以提高真空管的性能外,探索解决真空器件中相关部件存在问题的新机理和新途径是非常有意义的一个课题。本人结合课题组项目,在对传统真空器件中电子枪进行了一定研究的基础上,设计出一支应用于140GHz,MW级回旋管的低速度零散、大束流磁控注入电子枪;基于碳纳米管场致发射材料具有的响应速度快、发射电流密度大、加工尺寸小、效率高、功耗低等一系列的优点,对真空器件中的电子枪进行了相关的改进和研究设计,并设计出应用于行波管的碳纳米管冷阴极电子枪。主要工作包括:1.介绍了真空器件中电子枪的发展趋势,对双阳极磁控注入电子枪和碳纳米管冷阴极电子枪发展现状进行了一定的论述。2.在阐述并推导回旋管磁控注入电子枪理论公式的基础上,仿真设计出了应用于回旋管的140GHz双阳极磁控注入电子枪,并重点梳理了回旋管磁控注入电子枪相关参量的取值范围以及参数的选择方式。3.对碳纳米管场致发射材料理论、机制、及其在粒子模拟软件中仿真建模的方式与实验生长测试进行了详细的论述。4.在阐述了现有传统行波管电子枪理论的基础上,将碳纳米管这一新型材料应用于行波管电子枪中,并进行了仿真模拟研究,分别仿真设计出了用于行波管的碳纳米管冷阴极场发射弧面电子枪、碳纳米管冷阴极场发射三阳极电子枪、碳纳米管冷阴极场发射平面电子枪。