碳纳米管因具有高长径比、高机械强度以及良好的物理化学稳定性等特点而被广泛研究。在真空电子学的研究中,基于碳纳米管的冷阴极技术正不断发展,在具有快速启动、结构紧凑等特点的基础上已逐步实现了大电流密度、高稳定性的电流输出,并逐步被应用在基于冷阴极技术的X射线管、电离真空计等器件的研究当中。但是要使碳纳米管阴极实现在以行波管为代表的微波功率器件上的应用,由于对电子注层流特性要求较高,还需要结合冷阴极的特点对电子枪的电子光学特性进行针对性的分析与设计,才能得到具有良好层流特性的高质量电子注。本论文主要通过对碳纳米管冷阴极电子枪的电子光学结构进行设计以输出层流电子注,并根据所设计的层流电子枪结构制备出了实际的电子枪并进行了实验研究,从电子枪发射性能、栅极截获特性、电子注流通特性等方面验证了该层流电子枪的实际应用价值。本论文主要包含以下研究成果:（1）制备了基于丝网印刷转移工艺的碳纳米管阴极,并对其场发射特性进行了实验研究。在频率500Hz、脉宽4μs的脉冲工作条件下,在8.5V/μm的场强下,直径1mm的阴极发射电流达到10.72m A。通过该结果拟合出了碳纳米管阴极场发射特征参数。（2）建立了层流性良好的弧面预聚焦型碳纳米管冷阴极电子枪的电子光学结构。利用CST软件建立了一种弧面预聚焦型的碳纳米管冷阴极层流电子枪,确定了其电子光学结构的最优参数,阴极和栅极尺寸均为直径1.0mm,阴极-栅极间距1.0mm,弧面预聚焦极聚焦曲面的曲率半径1.5mm,弧面预聚焦极厚度0.5mm。将该电子枪结构代入了流通管模型中,并调整磁聚焦系统的磁场分布,最终获得了电子注层流性良好的电子注仿真结果。根据计算,电子注在流通管模型中的流通率达到100%。该结果为实验研究提供了重要依据。（3）研究了弧面预聚焦型碳纳米管冷阴极层流电子枪的实际工作性能以及电子注流通特性。测得在10k V的脉冲式电压（工作频率1k Hz,脉宽4μs）下,电子枪阴极发射电流达到8.37m A,栅极平均透过率为56.3%。在8V/μm的场强下1h内电子枪发射电流跌落为8.7%。在流通管实验中,在10k V的电压下,电子注流通率为72%,收集极电流达到2.5m A。以上研究结果表明所设计的碳纳米管冷阴极电子枪在发射特性、电子注层流特性以及收集极电流等方面具备在冷阴极行波管中的实用化前景。