碳纳米管因其优异的电子发射特性,在电子源应用领域受到了极大的关注。尽管目前对于碳纳米管冷阴极的研究已进行了广泛的研究,但是在某些领域及某些方面仍有待进一步提高。一方面,某些场合(如高强度轴向点发射电子枪应用领域,特别是电子束选区熔化设备的电子枪)不仅需要有大的发射电流密度,而且对发射电流也有更高要求;另一方面,备受重视的碳纳米管薄膜阴极,因自身属性的限制,仍未解决其在不良工作环境中耐受性差的问题。为解决以上问题,本论文在阴极结构和制备工艺方面进行了一些探索:在点发射阴极方面,通过提高尖端区域发射体数量改进了阴极的电子发射能力;在面发射阴极方面,通过打造碳纳米管/银块体复合结构建立了碳纳米管阴极受损时的自我恢复机制。采用酞菁铁热解法,以尖端柱状的镀镍金属为基底,在其尖端表面生长碳纳米管来制备点发射阴极。通过不断优化制备参数,逐渐改善了点发射阴极的场发射性能,最终测得点发射阴极的开启场强为2.0V/μm左右,当场强为3.4V/μm时,测得的最大电流密度为3.5A/cm~2,对应的电流为1mA,且在恒定场强2.6V/μm条件下测得电流密度的波动幅度保持在±16%以内。得益于点发射阴极尖端有效发射面积内生长有多簇团状无序碳纳米管,其最大电流较有关报道的单根碳纳米管冷阴极(500nA)提高了四个量级。因此,点发射阴极的研究对需要较大电流和功率的单轴电子源提供了新的思路和重要参考价值。采用热压烧结工艺,将高能球磨得到的碳纳米管和银粉的混料烧结成型,制备出了高致密度且具有一定机械强度的碳纳米管/银块体阴极。通过对温度参数、压力参数和碳纳米管含量的系统研究,发现烧结温度为700℃,烧结压力为30MPa,碳纳米管含量为5%条件下制备的块体阴极的综合性能最佳,其开启场强在2.25V/μm左右,当场强为3V/μm时,测得的最大电流密度为1.2mA/cm~2。得益于热压烧结制备工艺的优越性,热压烧结制备的块体阴极较薄膜阴极和无压烧结制备的块体阴极不仅在场发射性能上有明显提升,而且具有一定的可加工性,可以制备多种形态的阴极。此外,采用强流脉冲发射技术测试了块体阴极的电流发射稳定性,最终实验证明块体阴极具有一定的自我修复能力,能够保证长时间的发射稳定性,可以适用于高功率、高场强、高频率的场发射场景。