回旋管是具有最高输出功率记录的快波器件,在空间通信、热核聚变与医疗诊断方面受到广泛的关注,伴随着其工作频率的增加,回旋管将大幅提升对磁场的需求,采用高次谐波有助于降低工作磁场,但同时也会加剧模式竞争。与传统的热阴极相比,场致发射冷阴极几乎能够支持瞬态开启,满足超紧凑的设计要求以及工作在室温条件下。基于碳纳米管（CNTs）冷阴极的电子发射源已被广泛证明具有高电流密度、优异的化学和热稳定性、低开启电压等特点,是一种合适的可代替热阴极的发射方式,满足真空电子辐射源对优异发射源的需求。论文的主要工作如下:1.对回旋管的参数进行设计与分析,设计出三段式的腔体结构,选择TE37模三次谐波的工作模式。分析了引导中心半径为0 mm,0.305 mm,0.56 mm以及近轴0.055 mm处的起振电流,结果表明随着引导中心半径的增大,模式竞争逐渐增大。2.基于CNTs实验结果,将两根生长有CNTs的Ni80Cr20合金丝嵌入槽内获得其场致发射参数,对环形面发射带与Ni80Cr20合金丝嵌入槽内两种发射方式进行详细分析,得到两者间的决定系数R~2。仿真结果说明Ni80Cr20合金丝嵌入槽内的模型可以等效为环形面发射带模型。为降低回旋管工作在高次谐波时带来的模式竞争,设计出一种基于CNTs冷阴极的近轴小回旋电子枪,对第一阳极长度与电压、阴极电压、阴极区域的磁场等影响电子枪性能的参数进行分析,最终设计出一个电压为23.5 k V,电流为160 m A,电子枪出口处的密度为420 A/cm~2,引导中心半径为0.055 mm,横向速度离散6.7%,纵向速度离散8.9%,横纵速度比1.1的电子枪。3.采用回旋管的非线性理论对不同引导中心半径的情况进行注波互作用计算,结果表明随着引导中心半径增大,注波互作用效率降低。同时对影响注波互作用效率的磁场、电压进行分析,最终计算出回旋管的注波互作用效率为5.28%,输出功率为198 W。