碳纳米管(CNT)具有优良的场致发射特性,是冷阴极器件的理想阴极材料。为发展碳纳米管冷阴极微波、毫米波电真空辐射源器件,本文对碳纳米管冷阴极的场发射特性进行了研究,设计了一只可工作于8mm波段的碳纳米管冷阴极返波振荡器。主要工作内容如下:(1)对直径为4mm的圆形平面阴极进行了实验测试,获得其最大发射电流密度为127mA/cm2。在实验的基础上,结合粒子模拟软件CST建立了大面积碳纳米管冷阴极的场发射模型。研究了栅网结构对碳纳米管冷阴极场发射性能的影响,获得了矩形栅网结构的优化尺寸,当d=0.1mm,D=4d时,阴极的发射性能较好,电子注通过率约为60%。(2)设计了栅控结构的碳纳米管冷阴极带状注电子枪。分析了栅网结构、阳极电压、聚焦磁场等参数对带状注电子枪性能的影响。优化结果表明该电子枪在阴栅间距0.25mm,栅网电压2.5kV时,能产生工作电压在18kV,电流为1.5A,注半径为0.35mm,电流密度高达17.2A/cm2的带状电子注。(3)结合本征求解法对金属矩形双栅慢波结构的色散特性进行了推导和研究,利用三维粒子模拟软件CST设计了可工作于8mm波段的金属矩形双栅慢波结构。(4)将碳纳米管冷阴极用作返波管的粒子发射源,通过软件Magic和CST仿真设计了可工作于8mm波段的碳纳米管冷阴极返波管。仿真结果表明,该碳纳米管冷阴极返波管能产生工作频率为33.95GHz,输出功率为2.35kW,效率达8.73%的返波信号。