回旋行波管是一种基于电子回旋脉塞机理进行工作的真空电子器件，作为快波放大器件，具有高频率、高功率和宽频带的特点，在高分辨率雷达、毫米波通信、电子对抗、材料处理等领域具有广阔的应用前景，其研究受到各国科学家的重视。作为回旋行波管的重要组成部分，电子光学系统（包括电子枪与收集极）起到产生电子和收集剩余电子的作用，高质量电子注的产生与剩余电子的有效收集与整管的效率和寿命息息相关。高频系统是注波互作用有效进行的场所，其设计的好坏直接影响到整管能否稳定工作。因而对回旋行波管电子光学系统和高频结构进行高质量的设计十分必要。本论文在国家重大专项课题“XXX回旋行波管技术”的支持下，对回旋行波管的电子光学系统和高频结构进行深入研究，主要的研究工作和创新点有：　　1.研究和整理了磁控注入电子枪的设计理论，总结出了设计方程组和限制方程组，并编写了电子枪设计的界面程序，阐述了电子枪设计的一般过程，完成了单阳极和双阳极电子枪的初始设计；编写了电子枪的设计验证程序，能够方便地实现多个仿真软件之间的互相验证，大大提高了验证效率；为了提高电子枪优化的效率，引入模拟退火算法和遗传算法对电子枪进行优化，实现了电子枪的自动高质量设计，并以会切电子枪的优化为例阐述了数值算法在电子枪优化中的应用；利用电子枪设计和优化工具，完成了回旋行波管、回旋返波管、回旋振荡管等回旋器件的电子枪设计与优化，并进行了扇形阴极电子枪、双频双模电子枪以及多频段适用电子枪的创新性设计。　　2.对涉及电子枪性能的关键技术进行了研究。对电子注的速度零散进行了深入研究，推导了由热初速和表面粗糙度引起的速度零散的解析表达式，给出了电子出射角具有不同分布情形下的速度零散分布趋势；进行了电子枪的热分析和形变研究，对电子枪的结构进行了优化，得到了一种“L”型的灯丝绕制方式，使得发射带表面的温度分布十分均匀，模拟了电子枪的热形变大小，对形变前后的电子枪性能进行了对比；研究了电子枪的边带发射现象，阐述了边带发射现象的产生和影响，提出了抑制边带发射现象的措施并在打靶实验中得到了验证；对阴极发射的不均匀现象进行了研究，给出了具有高斯分布形式的阴极发射电流密度对电子注性能的影响；提出了曲线阴极结构电子枪的概念，并在多个频段和不同结构的电子枪设计中得到了应用，获得了良好的电子枪性能。　　3.对回旋行波管的非降压收集极进行了优化设计，编写了计算收集极功率耗散密度的程序，理论计算结果与仿真软件结果较为吻合；提出了曲线结构收集极的设计思路，对其中的微波传输性能和二次电子发射现象进行了研究，并利用仿真软件内置的粒子-热耦合模块计算得到了收集极的温度分布，对比后发现，相比于直线收集极，曲线收集极收集范围更大，功率耗散密度更低，温度分布更加均匀，能够有效避免局部热点的产生。研究了收集极的磁场扫描系统，首次将应用于大功率回旋振荡管的收集极磁场扫描系统引入到回旋行波管收集极的设计上，在直线收集极的基础上，经过优化，得到了一种横-纵向磁场扫描系统，收集极的功率耗散密度得到了有效降低。　　4.对回旋行波管高频结构进行了研究，对注波互作用小信号理论进行了整理，编写了一系列小信号计算程序，利用小信号理论预测了高频结构的增益与带宽，研究了绝对不稳定性起振电流和返波振荡的计算方法；推导了考虑损耗和速度零散的注波互作用大信号理论，编写了大信号界面程序，并与粒子模拟软件仿真结果进行了比较，两者吻合较好；利用小信号理论预测的回旋行波管稳定工作参数，进行了大信号理论计算并预测了高频结构的性能；编写了基于遗传算法的大信号界面优化程序，能够根据设定目标自动完成高频结构参数的优化，大大提高了设计效率。　　5.根据课题组项目需求，基于创新设计理念及优化设计方法，完成了Q波段脉冲回旋行波管的设计并进行了热测实验研究，实验结果较好，整管工作稳定。