场发射真空电子器件由于响应快,可小型化等特点使得它在真空电子器件中的应用优势逐渐凸显。碳纳米管因为优秀的导电性和良好的物理化学稳定性被视为理想的场发射阴极材料,而碳纳米管阴极电子枪不但具有良好的发射性能,在电子注束流调控方面也有着优秀的潜力。近年来,应用于微波真空电子器件的碳纳米管阴极电子枪成为新的研究热点,但尚未出现应用价值较高的研究成果。为了满足微波真空电器件的需求,不但需要高性能的碳纳米管阴极,还需要碳纳米管阴极电子枪所发射的电子注具有高压缩比和良好层流性。本论文针对以上需求,结合课题组前期的研究成果,得出了高性能碳纳米管阴极的制备工艺参数,并通过对碳纳米管阴极电子枪进行电子光学结构设计与实验验证,得到了一款在微波真空电子器件中具有实际应用价值的基于碳纳米管阴极的高压缩比层流电子枪。具体研究内容为:（1）优化了碳纳米管阴极的制备模具,使阴极表面更为平整,制备与装配更为便捷。此外,还优化了丝网印刷制备碳纳米管阴极工艺的退火温度与时长参数,并通过二极测试验证了阴极发射性能,最终得到退火温度400℃,退火时长3小时的最佳退火参数。采用了负高压脉冲电源对直径0.6 mm碳纳米管阴极样品进行二极测试。在3500 V工作电压（电场强度8.75 V/μm）下,发射电流密度高达12.2 A/cm~2,对应电流为34.6 m A。（2）通过CST软件构建了高压缩比碳纳米管阴极层流电子枪的电子光学结构模型,通过对电子枪结构的关键参数进行步长扫描并结合实际的丝网印刷法制备碳纳米管阴极与弧面型轮辐加工的可行性等因素确定了电子枪的最佳参数。根据最佳参数建立了弧面环形阴极栅控电子枪仿真模型,并通过与其他结构电子枪进行对比仿真证实了该结构的性能最佳。该电子枪在15 k V工作电压下,工作电流达到32.74 m A,栅网截获率为27.7%,射程为8.23 mm,面积压缩比在无需聚焦极的情况下达到了16.96,仿真结果显示电子注层流性良好。最后将该电子枪带入流通管模型进行了流通仿真实验,并引入周期永磁聚焦结构提升其流通率,在0.4T的磁通量密度下实现了100%的仿真流通率,并得出周期永磁聚焦系统的最佳磁通量密度参数为0.5T。（3）基于CST软件中建立的电子枪模型加工并装配得到了弧面环形阴极电子枪。利用负电压脉冲电源对弧面环形阴极电子枪开展了发射性能、电流稳定性、栅极截获率、流通率相关的实验研究。测得该电子枪在12 k V工作电压（电场强度8 V/μm）下,电子枪阴极发射电流达到12.54 m A,栅极截获率为38.9%,在流通管（Φ1.6 mm）测试中,收集极电流达到5.48 m A,得到流通率为71.54%。当工作电压为9 k V（电场强度6 V/μm）时,电子枪发射电流为5.20 m A,在90分钟内跌至4.98 m A,跌落幅度为4.23%,电子枪的发射电流较为稳定。本论文研究成果表明了碳纳米管阴极电子枪在微波真空电子器件中有着良好的应用前景,并且仍具有广阔的提升空间。