太赫兹波（THz）处在电磁频谱中微波与红外辐射之间的位置（0.1-10THz）。该波段的特殊性让他在很多研究领域都拥有独特优势,被认为是改变未来世界的十大技术之一。经过科学家们对太赫兹领域超过30年的研究,对其光谱特性已十分了解,太赫兹成像技术和太赫兹光谱技术等潜在的技术应用前景也已广为人知。但是,缺乏一种同时满足功率高、造价低、重量轻、体积小等特点的太赫兹源则是真正限制太赫兹技术落地的原因之一。低频段的THz产生主要采用电子学的手段,利用自由电子的注波互作用对THz信号进行振荡放大,不过,随着频率上升,器件尺寸的精度要求也达到了亚毫米量级,这无论对器件设计还是加工都是一个很大的挑战。基于以上背景,本论文提出并研究了一种基于场发射阴极的新型真空二极管振荡器,它是一种基于真空中自由电子渡越时间效应的自振荡、自放大型THz源,不需要额外电子注聚束系统,也不需要输入电磁信号,与现有文献的THz真空电子器件设计方案相比简化了结构,使得器件可集成,而且可以在厘米量级尺寸上可以实现百毫瓦量级的连续波太赫兹输出,频率覆盖范围0.1-1 THz。本文的工作从理论模型、数值仿真、实验设计三个方面展开,对该新型真空电子二极管太赫兹源进行了研究:1)研究了 THz波段的场发射阴极真空二极管内的场分布与注-波互作用的物理过程。通常,场发射器件的发射电流忽略自由电子所产生的空间电荷效应,但是对于THz波段器件,其发射电流更大,二极管尺寸更小,因此空间电荷效应会明显影响二极管内的场分布。本论文将其纳入考虑,给出了大电流条件下的真空二极管内的发射电流、电子速度、电场强度分布的理论计算公式,特别研究了非空间电荷限制发射条件下的场发射物理模型;对于二极管内的注-波互作用过程,本文研究了在场发射阴极条件下的自由电子的渡越时间效应,通过计算表明了场发射阴极可控制二极管的振荡频率,以及提高二极管的输出功率,因此拥有不可或缺的地位。此研究为后续THz波段二极管器件设计提供了理论模型的基础。2)提出并通过数值仿真研究了两种THz波段的场发射阴极真空电子二极管的结构设计方案:通过引入凹槽谐振腔结构分别实现了二极管内法布里-珀罗谐振腔的驻波模式振荡和周期结构模式的振荡。两种方案均可以显著提高振荡器的输出功率,同时与现有的二极管型渡越时间振荡器设计相比不存在噪声信号的问题。有别于传统真空电子THz源中常见的电子束与慢波的能量交换,该设计思路利用的是凹槽与二极管内驻波谐振模式的耦合来提高谐振腔品质因数,因此不需要对电子束进行聚束准直,也显著降低了凹槽尺寸的加工精度要求。除此之外,二极管内的模式耦合效应可以在多个谐振模式下进行,因此仅通过改变电压调节电子的渡越时间,该模型就可以实现同一尺寸下的可调多模振荡。3)对基于多槽周期结构的场发射阴极真空二极管进行了加工和初步实验。由于此设计方案较为特殊,本论文在样品加工、器件组装、实验设计等方面均开展了大量的探索研究,提出了两种器件的真空封装方案,并完成了对二极管结构的加工,以及利用光刻+剥离的手段获得了图形化的氧化锌纳米线场发射阴极。对阴极测试的实验结果表明其场发射性能稳定,且与理论场发射方程的拟合度较好。不过由于实验条件限制,尚未能测到THz的输出信号,有待后续对实验设计的进一步优化工作。本论文的研究为小型化真空电子THz源的设计提供了一种新的思路,在低成本、便携式的太赫兹安检、雷达、成像等系统中有广阔应用前景。