栅控行波管电子光学系统的好坏对其效率和性能有重要的影响。作为电子发射源,阴极是行波管的“心脏”,进一步研究电子的发射机理对电子枪的设计和改进有重要意义;导流系数是衡量电子枪发射能力的重要物理量,在无栅电子枪的基础上充分研究栅控电子枪的导流系数可以更全面地考察栅控行波管的性能,提高栅控电子枪优化的针对性:在互作用区,使电子注按照设计要求保持一定形状来增加与高频场的能量交换是提高行波管效率的关键,磁聚焦系统的作用就是提供向心力来平衡空间电荷力,使电子注保持良好的层流性,引起电子注非层流性的主要原因是电子的横向速度,而在栅控行波管中栅网是导致电子横向速度的主要原因,因此深入研究栅控行波管中电子横向速度和电子枪及栅网特性参量之间的关系对改善电子注性能和优化磁聚焦系统十分必要;多级降压收集极(MDC)对作用完电子注能量的充分回收可以有效地提高行波管的总效率,而设计MDC之前对其效率进行合理评估,可以帮助我们预测管子的整体性能,节省计算资源和时间,对提高MDC效率乃至总效率具有积极意义。　　 本论文的研究内容和创新主要包括:　　 1、利用静电场的知识推导了同心球二极管中的空间电荷限制电流,将其中的无穷级数替换为包含空间电荷场因子的简明函数表达式,接着通过与经典朗缪尔电流的比较求出了其中的空间电荷场因子并将其分段拟合成三次多项式,最后根据所得结果建立了新的球二极管电子发射模型。目前行波管中电子枪采用的大多是球形二极管型的会聚枪,电子发射采取空间电荷限制的方式,进一步探索阴极电子的发射机制就必须首先深入理解球二极管之间的空间电荷限制电流。基于以上考虑,本文首先推导了同心球二极管中的空间电荷限制电流,将其中的无穷级数表达成包含空间电荷场因子的函数形式,然后将空间电荷场因子分段表达成三次多项式,定量研究了空间电荷场对空间限制电流的影响。最后根据所得结果建立了同心球二极管之间的电子发射模型。　　 2、建立结构模型计算了栅极控制行波管中轮辐栅网的栅丝节距和屏蔽系数并详细分析了其截止放大系数的影响因素,充分研究了温度升高之后截止放大系数的变化,最后提出了设计轮辐栅网的一般步骤。由于具有体积小、重量轻和控制效率高的优点,轮辐栅网在球形栅控电子枪中具有十分重要的作用,但其栅丝节距和屏蔽系数却只能通过平板正方形栅格近似而得到。平板正方形栅格近似由于不能考虑实际栅网截止放大系数的不均匀性和不包含阴极半锥角以及栅网曲率半径等信息而与无栅电子枪的设计脱节,也不能够为设计更细的栅丝提供理论依据。正是基于上述考虑,本论文建立轮辐栅网的结构模型,计算了轮辐栅网中的栅丝节距和屏蔽系数,分区考察了栅丝半径、栅丝数目以及各环所对球心角对栅网截止放大系数的影响,研究了工作在高温状态下栅网截止放大系数的变化情况,最后给出了设计轮辐栅网的一般步骤,对比结果显示用新的设计方案设计的轮辐栅网更为稳定,性能也更为可靠。　　 3、详细研究了栅极电压处在自然电压附近时栅控枪和无栅枪导流系数之间的关系以及栅网的位置和栅极电压对栅控枪导流系数的影响;分析了由于栅网的插入产生的电场畸变,对理查德·楚给出的用PPM聚焦设计耦合栅控枪的理论进行了深入的研究,在阴极半锥角一导流系数的关系和磁场增强度的计算中引入了栅网细节、栅网位置、栅极电压和阳极电压等信息,将栅控行波管聚焦磁场的设计与栅网的特性紧密地联系了起来。　　 4、作为一种新的探索,本文在深入研究Kosmahl均匀降压模型的过程中,分析了改变降压量分布对收集极效率的影响,证实了在假定互作用后电子注能量分布为一斜线时,各级降压量相等可以得到最佳效率,也就是有最佳降压收集极各级电压分布存在。为探讨非均匀降压对MDC效率的影响,文章建立等差降压模型推导了MDC效率评估公式。