微波真空电子器件是雷达、通信、导航、电子对抗等当代国防装备的心脏，在国民经济、信息系统和人民日常生活中同样具有广阔的应用前景，并发挥重要作用。近年来，随着大功率磁控管、速调管和太赫兹微波真空电子器件的迅猛发展，对阴极的发射性能、工作寿命以及耐电子离子轰击能力等均提出了更高要求。目前在磁控管中使用的阴极材料，因其发射性能、放射性、稳定性以及成本等问题，难以满足大功率器件的发展需求。含钪扩散阴极具有低温大发射的优异特性，是迄今最有可能达到大功率速调管及太赫兹微波器件对电流密度高要求的热阴极。但具有亚微米结构的含钪扩散阴极，机械加工性能较差，严重制约了该类型阴极的发展和实际应用。针对上述问题，本文采用喷雾干燥技术结合氢气还原分别制备了浸渍型Y2O3掺杂钨基扩散阴极和适用于机械加工的钪钨基车制表面阴极，并对阴极的粉体性能、发射性能、表面特性、发射机理、蒸发特性及抗中毒性能等进行系统分析，以期满足大功率微波真空电子器件的使用要求。　　通过第一性原理对不同稀土氧化物掺杂-钨基体系的逸出功进行计算，在优选稀土元素基础上，利用Monte-Carlo算法对电子运动深度范围进行分析，并且模拟高能一次电子轰击Y2O3-W阴极体系时的次级电子发射物理过程。采用喷雾干燥技法结合氢气还原制备Y2O3掺杂阴极钨粉，系统研究稀土氧化物含量、还原工艺对粉末平均粒径、微观形貌的影响。将粉末压制烧结成阴极基体，通过高温浸渍液相共沉淀法制备的活性铝酸盐，成功获得浸渍型Y2O3掺杂钨基次级发射阴极。研究表明，提高Y2O3含量有利于获得孔度更加均匀的发射体，且阴极的发射性能更为优异。其中当Y2O3含量为15wt％时，充分激活的阴极在1100℃b时测得的零场电流密度Jo为14.06A/cm2，有效逸出功为2.095eV，阴极的最大次级发射系数δm可以达到3.96。　　原位俄歇能谱分析表明，激活良好的浸渍型Y2O3掺杂钨基扩散阴极表面富含Ba、Y、O等活性元素。分析认为，自由Ba及BaO可有效降低表面逸出功，稀土氧化物Y2O3在真空高温条件下发生晶格失氧现象，形成非计量化合物RE2O3-x,使Y2O3成为n型半导体，阴极导电性能增强，有利于提高阴极的发射性能。测定了活性物相Ba3Y2WO9的热力学数据，通过模拟阴极成分，将实验与热力学验证相结合，提出了活性物质Y2O3和自由Ba的产生途径。研究表明，在高温激活过程中，活性物相Ba3Y2WO9会与基体W发生反应生成发射所需的活性物质，是阴极中提供Y2O3和自由Ba的主要来源。　　在课题组前期对亚微米结构的含钪扩散阴极研究基础上，通过改进喷雾干燥参数和还原工艺，提高阴极粉末粒径及相应基体烧结温度，成功获得平均粒径2μm、氧化钪均匀分布的掺杂钨粉，基体高温浸渍活性铝酸盐后制得的氧化钪掺杂钨基阴极的机加工性能显著改善。系统研究了二次处理工艺对钪钨基车制表面阴极的微观结构、发射性能以及工作寿命的影响。结果表明，阴极经过二次处理后，脉冲和直流测试条件下的发射性能均明显优于未处理阴极，与亚微米结构的含钪扩散阴极性能接近。其中在工作温度900℃b时测得的脉冲偏离点电流密度Jdiv为59.5A/cm2，考虑电子冷却效应进行温度补偿后直流偏离点电流密度可达20A/cm2以上，斜率1.415，表现出良好的发射均匀性。寿命实验结果显示，在工作温度970℃b时支取40A/cm2的直流负载条件下，阴极的工作寿命已达5000小时并仍在继续。　　为进一步探讨钪钨基车制表面阴极的实用性，分别对阴极的抗暴露大气性能、蒸发速率及抗中毒特性进行研究。表面分析、直流及米拉特性测试结果均表明，暴露大气后仅需1小时的短时间激活，阴极表面即可保持Ba、Sc、O等活性元素均匀覆盖的特点，阴极发射性能完全恢复，这表明采用“预处理”工艺可有效避免实际应用时在电子枪内的长时间激活。相同工作条件下，阴极的蒸发速率低于M型阴极和Ba-W阴极，充分激活后阴极蒸发能的计算值约3.01eV。作为高发射阴极的代表，脉冲条件下初始电流密度80A/cm2，工作温度为1100℃b时，阴极发射降幅10％所对应的真空度为1×10-3Pa，明显优于覆Os膜M型阴极(1200℃b，2.05×10-4Pa)，表现出优异的抗中毒特性。