行波管有着工作频带宽,输出功率大,效率高,环境适应性强等一系列优点,是目前广泛使用的大功率微波毫米波放大器件。在行波管的慢波结构中电子注与电磁波持续交换能量,电磁波因此得到有效放大。电子枪作为行波管产生电子注的重要部件,对行波管的性能有着至关重要的影响。随着频段的升高,电子枪的通道半径越来越小,当波段达到毫米波及以上频段,电子枪的热形变与加工装配产生的误差都会极大地影响电子的层流性和流通率,进而严重影响行波管的整体性能。因此设计一种对结构参数变化敏感性低的高稳定性电子枪是高性能、高可靠性毫米波行波管的有效保障。本文采用阴极磁场浸没流的思想,即磁力线渗透到阴极,且这部分的磁力线与阴极面发射的电子轨迹一致,这样的方法可以增加电子注的刚性。并利用CST仿真软件设计了一款可用于毫米波行波管的电子枪及其相应的浸没流周期永磁聚焦系统,计算结果表明:与传统设计得到的电子枪相比,该枪具有较高的稳定性,在考虑加工误差与热形变时具有更好的静态流通率,并且在考虑注-波互作用时使用浸没流电子光学系统的行波管的性能对尺寸误差不敏感,有着更稳定的互作用性能。本文的主要工作有:1.毫米波行波管圆形注电子枪及浸没流聚焦系统的设计介绍了阴极浸没流的设计方法,说明其在设计高频段行波管电子光学系统设计中的意义。接着使用CST仿真软件设计了D波段圆形注电子枪。之后,同样使用CST软件设计了两套磁聚焦系统,包括不考虑阴极磁场的非浸没流聚焦系统与针对阴极表面附近磁场专门设计的浸没流聚焦系统。2.电子枪的热分析根据仿真优化得到的电子枪尺寸,进行了结构设计,利用ANSYS Workbench软件对电子枪进行稳态热分析与热形变分析,获得实际工作时电子枪的热形变数据,为接下来的稳定性分析提供形变数据。3.浸没流电子枪稳定性提升的研究根据实际工程经验,分析电子枪零件加工和装配引起的误差和热形变引起尺寸的变化对电子束流通率、层流性的影响。分析结果表明,浸没流电子枪中的阴极轴向前后位移50um,径向位移50um,阴极倾角2~o以内,电子束均能维持95%以上的流通率。在考虑热形变时,浸没流电子枪的流通率较非浸没流电子枪高10.2%。4.浸没流电子枪对互作用性能的影响为了分析浸没流电子光学系统对行波管注-波互作用的影响,我们对D波段曲折波导慢波结构行波管的高频特性及互作用过程进行了分析,中心频点140GHz的峰值功率为54W,增益为37.3dB,带宽为8GHz。并进行了考虑阴极尺寸误差的PIC仿真,仿真结果表明,浸没流电子枪可以减小尺寸误差对互作用性能的影响。5.浸没流磁系统的实验测试加工出浸没流周期永磁聚焦系统并进行调试,最终得到与仿真结果相符的聚焦系统。