潘尼管是一种新型的利用大回旋电子注与电磁波进行注波互作用的快波器件。与普通回旋管基于相对论效应的电子角向群聚的换能机制不同,潘尼管则是利用电子回旋中心的位置偏移实现电子与高频场之间的能量转移。整个能换过程中所有的电子都向高频场交出能量,不存在“不利”电子,因而电子注在能换作用完成后能量较为单一,易于利用降压收集极技术收集。正是这种特殊的注波互作用机制,使其在高次谐波工作时不仅能使工作磁场成倍降低,而且仍能保持较高的效率,受到了各国科研人员的关注,有利于发展永磁包装的中等功率高效毫米波、亚毫米波源。研究发现,电子注质量的好坏对潘尼管的性能影响很大,因而探索新型的、与潘尼管相匹配的电子光学系统是人们亟待解决的重要课题之一。本文从电子运动方程、正则角动量守恒和能量守恒出发,推导出电子在理想会切和非理想会切磁场情况下的径向、角向及轴向运动方程,并求出其解析解,指出大回旋电子束形成的关键是必须有作用于电子注的倒向磁场。提出了大回旋电子枪的引导中心漂移补偿法,而后在这种方法的指导下,对不同类型大回旋电子枪进行了具体的分析和设计计算。主要工作及成果如下：1.在深入研究大回旋电子注形成基本理论的基础上,舍弃理想化假定,导出了适用于任意缓变倒向场的直接联系阴极区与互作用区束参量的关系式。深入分析了影响速度零散的因素与抑制措施,以及引导中心的偏移规律和进行补偿的可能性,进而提出了任意缓变倒向场大回旋电子枪设计理论一引导中心漂移补偿法。这种方法抛弃了尽可能逼近理想倒向磁场的传统思路,利用实际可获得的不同倒向场,通过首先控制起始点的位置速度零散,进而用调节电场分布来控制电子通过倒向区的状态,对非理想倒向场可能引起的引导中心漂移进行补偿,最后在互作用区得到偏心很小,速度零散也很小的大回旋电子注。2.利用上述理论,设计了一支低速度零散、偏心较小的大回旋电子枪。该电子枪利用实际磁系统可获得的倒向场,并计及了结构设计的要求,极大降低了制管工艺和结构的复杂性。阴极发射带可以置于倒向点前的轴向磁场幅值渐减区域,通过控制各条轨迹起始点的正则角动量差异,并利用多种不利因素的相互抵消作用来减小偏心与速度零散。同时,给出了两种重要的调节方法,即细调电子枪在磁场中的轴向位置和阴极中心的凸起高度,为获得高质量大回旋电子注提供了一条新的实用途径。3.为了减小大发射面下的位置零散,在上述理论指导下,提出了利用磁控注入枪来产生大回旋电子注的新方案,并设计了电子枪。该枪的阴极发射带平行于系统轴线和磁力线,避免了在阴极处的初始角动量零散,在大电流情况下工作时仍可获得低速度零散的高质量电子注；新增的电极可以用来微调电子束的质量,以满足不同大回旋器件的要求。这种宽阴极发射带、大电流工作的磁控注入式大回旋电子枪,在第一和第二阳极电压分别为0.6kV和50kV时,所得电子注横向速度零散仅为0.65%,引导中心偏移为6.1%,横纵速度比为1.67。这为大回旋器件的研究者提供了一条新的实用大回旋电子枪设计方案。4.编制了潘尼管的自洽非线性计算程序,提高了计算速度,对用我们设计的电子枪驱动潘尼管进行了综合研究,设计了一支三次谐波潘尼管倒向场大回旋电子枪。计及电子注的偏心7.18%与速度零散4.78%,该潘尼管可获得33.5kW的输出功率,效率达到54.3%。5.设计了一个永磁包装三次谐波潘尼管系统。在43.5kV、1.45A下,所设计的电子枪能产生速度比2.03、速度零散4.48%、偏心6.79%的大回旋电子注。在该大回旋电子枪的驱动下,潘尼管器件功率可达35.4kW,效率可达56.0%。永磁系统的设计中,采用钕铁硼作为永磁材料。该磁系统体积小、结构紧凑,总重量在100kg左右。能够满足机载、车载等可移动装置的需求,为实际研制永磁包装潘尼管打下了基础,有重要实用前景。