伴随着材料科学的发展尤其是新型半导体材料的更新换代和加工手段的进步特别是微细加工工艺水平的不断提高,固态电子器件在近些年得到了迅猛的发展。与此同时,由于具有体积大、重量重等缺点,传统真空电子器件逐渐被固态电子器件所取代。因此,亟需通过引入新的物理机制使得真空电子器件焕发新的活力。鉴于此,本学位论文采用理论分析、仿真模拟以及实验研究相结合的方法,论证了带状注在超材料中稳定传输的可行性,实验验证了超材料中反向切伦科夫辐射效应的物理机理,从而提出了新型的小型化超材料带状注辐射源。本学位论文通过将一种全金属超材料(由平板型的互补电开口环谐振器(CeSRR)阵列加载方波导所构成)和带状注用于新型真空电子器件,从而开展了以下的创新性研究工作:1.研究了超材料的有效本构参数和高频特性。从有效媒质的观点出发,利用基于S参数的参数提取法和Drude模型分析得到该超材料分别在2.83GHz-3.05GHz频带内同时具有负的有效介电常数和负的有效磁导率,即该超材料在上述频带内可视为左手材料;从慢波结构的观点出发,我们发现该超材料的基模零次空间谐波在上述频带范围内具有返波特性且其耦合阻抗大于750?。2.提出了一种带状注电子枪的设计方法。利用皮尔斯电子枪的基本理论,研究了带状注电子枪内部电子的运动情况,从而设计了用于计算带状注电子枪主要参数的迭代算法。上述方法具有迅速准确等特点,可应用于带状注器件中电子枪的设计。3.研究了均匀轴向磁场聚焦下带状注在超材料慢波结构中的传输特性。提出了一种超材料慢波结构理论模型,进而推导出了带状注在超材料慢波结构中的空间电荷场;利用该空间电荷场计算了均匀轴向磁场聚焦下带状注的竖直偏移量,该竖直偏移量定量描述了带状注的传输不稳定性;通过理论计算和仿真模拟相结合的方法研究证实:减小带状注与CeSRR阵列的间距可以有效抑制带状注的传输不稳定性,即带状注在超材料慢波结构中稳定传输是可行的。上述工作为反向切伦科夫辐射效应的实验验证以及超材料带状注辐射源的发展奠定了基础。4.首次利用带电粒子激励的方法在实验中观测到了超材料中的反向切伦科夫辐射。为了开展实验研究,我们构建了反向切伦科夫辐射的实验平台,包括特斯拉变压器、阴极组件、超材料、耦合器、收集极、螺线管磁聚焦系统。实验结果表明在端口1(近收集极端口)获得的信号频率与端口2(近阴极端口)的几乎一致,信号功率却远远小于端口2的信号;同时我们发现端口1的信号相对于端口2的信号有一定的延迟时间,而该时间近似等于信号从端口2到端口1的传播时间;该结果说明在端口2获得了反向切伦科夫辐射信号而在端口1获得了其反射信号。另外,仿真结果表明:超材料中的切伦科夫辐射角是位置相关的且大于150o,归一化功率流的增长方向与带状注的运动方向相反。上述事实证明了超材料中反向切伦科夫辐射效应。5.提出了双频超材料带状注辐射源。在反向切伦科夫辐射效应的基础上,通过进一步研究超材料慢波结构的特性,我们提出了具有波导耦合器的双频超材料带状注辐射源。仿真结果表明该辐射源具有百千瓦量级的峰值输出功率,电子效率可达52%,在上述两个频带内的可调谐带宽分别为7MHz和30MHz。同时,利用带状注电子枪的设计方法为该双频超材料带状注辐射源设计了所需的电子枪。