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碳纳米管冷阴极电子枪以其发射电流密度大、室温工作、瞬时启动等特点,在大功率微波真空电子器件领域有着广阔的应用前景。但是目前所能获得的碳纳米管冷阴极电子枪仍存在着一些问题,如阴极发射性能(最大发射电流、发射稳定性)较差、栅极电子截获率较高以及电子束的聚焦效果差等。针对碳纳米管冷阴极电子枪应用过程中存在的上述问题.本文主要对大电流密度的碳纳米管冷阴极及其在电子枪中的应用进行了研究。在对大电流密度冷阴极的阴极发射性能的研究中,采用理论分析与实验研究相结合的方法,针对测试结果中不同测试条件(水冷和非水冷)下出现的明显差异的发射特性,结合不同的发射机理,分析温度对大电流密度碳纳米管冷阴极发射性能的影响。论文所制备的大电流密度冷阴极材料的发射特性已基本能够满足行波管等微波真空电子器件对电子枪的应用要求。在线直流水冷测试条件下,最大发射电流达到33.5mA,对应的发射电流密度为4.27A/cm2(发射面积0.785mm2),器件的消耗功率为340W;稳定性测试实验中,在20mA大电流条件下,连续27小时的在线直流水冷测试,碳纳米管阴极表现出良好的稳定性,此时对应的场致发射电流密度达到了2.52A/cm2,相应的电流最大跌幅为5.3%。在上述基础上,论文对碳纳米管冷阴极电子枪进行了电子光学仿真设计和实物加工测试。论文分别对阴极结构、栅网参数以及电子注聚焦系统进行仿真设计,并在仿真结果的理论指导下,参考实用化的热阴极行波管电子枪的电极组装要求和测试方案,进行了电子枪实物加工及性能测试。测试过程中考虑到温度的影响,即在线直流油冷测试方法很难带走栅极上积累的热量,会抑制阴极电子发射,为此改用在线脉冲测试方法。脉冲测试条件下,能够获得的最大发射电流为76mA,对应的电子注电流为42mA,栅极电子截获率维持在45%左右,基本能够满足小功率行波管等微波真空电子器件的应用要求。相关电子注聚焦系统以及电子漂移系统的设计正在紧锣密鼓的进行中,相信随着相关问题逐一解决,碳纳米管冷阴极电子枪定将可以由目前的研究热点变成未来的器件应用热门。