太赫兹(Terahertz，THz)技术在凝聚态物理、生命科学、信息科学、国防安全等领域有着广阔的应用前景。基于直线加速器驱动的自由电子激光(Free-Electron Laser，FEL)-太赫兹源(FEL-THz)具有高功率、高效率、波长连续可调等突出优点，是目前可以获得大功率THz的首选方案。其中，电子注入器承担着产生高品质电子束团的重要任务，是FEL-THz装置中的核心之一。基于射频栅控电子枪的注入器具有结构紧凑、束流利用率高等优点，同时其输出束团品质较高，满足FEL-THz驱动束流的需求。
　　基于射频栅控电子枪的注入器通过射频栅控电子枪和聚束结构完成束流纵向聚束过程，在直线加速器中对束团加速并进一步压缩。电子枪中的栅网体积微小、结构精密，以及双频工作模式都加大了电子枪的研制难度。解决装置的紧凑性、经济性与束团品质之间的矛盾，使注入器的设计和优化面临挑战。基于此，本文的研究内容主要包括：
　　射频栅控电子枪研究与物理设计：分析了谐振腔中的双频电磁场对电子运动的影响，设计了可工作于952MHz+2856MHz双频模式下的阴极-栅网谐振腔。探索了栅网对于束流的影响，完成了电子枪的枪体设计。最后，深入研究了束团切片的演化过程。模拟结果表明，该电子枪可以提供能量50keV的几十皮秒(ps)量级短束团。
　　聚束结构的研究与设计：根据电子枪的输出束团参数，分析对比了1.6cell驻波腔和盘荷波导聚束段两种方案。基于一维单粒子模型，通过分析聚束结构中电子的运动过程，验证了两类聚束方案的可行性。束流动力学计算证明了盘荷波导聚束方案具有更高的束流利用率，输出束团的有效电荷量更大。该方案可将束团长度压缩至10ps以内，结构紧凑，经济性高。综合考虑下，本文中以盘荷波导聚束段作为聚束结构。
　　在以上的研究和设计基础上，本文最后对加速段与聚焦系统深入研究，并完成了注入器的全过程(Start-to-end)束流动力学模拟。结果表明，基于射频栅控电子枪的注入器可以近似实现束流的无损传输，并能稳定提供能量大于14MeV，电荷量大于200pC，能散小于0.8%，长度在10ps以内的电子束团。