相较于毫米波,太赫兹波在物理方面具有量子能量低、穿透性好等独特优势,在基础科学及军事国防等领域有着广泛应用。太赫兹辐射源作为太赫兹技术发展的前提和基础,一直都是研究的重点。太赫兹行波管作为大功率太赫兹源,因具有功率大、效率高、带宽宽等特点,已成为国内外研究热点。行波管电子光学系统包括电子枪、聚焦系统和收集极。然而在太赫兹频段,由于频率很高使得电子光学系统结构中的关键尺寸很小,电子传输通道窄。高频率器件中的电子枪通常要求有高电流密度、大面积压缩比,因此要想得到脉动低和层流性好的电子注,对于电子枪设计和装配工艺要求是很严格的。同时由于电子空间电荷效应增强,对聚焦系统的要求也更加苛刻。本文以340GHz、10W圆电子注改良型正弦波导行波管的电子光学系统为研究对象,设计完成电子枪及相应的磁聚焦系统。主要研究工作由以下几个方面:一、对行波管电子枪基本原理和热阴极发射理论进行阐述,分析温度对热电子发射的影响,比较热初速下热电子发射和空间电荷限制两种方式的计算结果,确定电子枪采用空间电荷限制发射方式。根据340GHz行波管电子枪设计要求,利用Vaughan迭代算法完成皮尔斯电子枪基本轮廓设计,在软件TAU中初步完成电子枪结构参数的模拟仿真,利用CST软件优化,设计出符合设计指标的电子枪,该电子枪工作电压在17kV,电子束电流38.5mA,电子注腰半径0.035mm。二、介绍周期永磁（Periodic permanent magnet,PPM）聚焦系统设计原理,然后利用Maxwell 2D软件和CST软件进行模拟计算。在此基础上,对不同开口情况的磁环对应的磁聚焦系统与电子枪联调结果进行分析后,最终采用双开口PPM聚焦系统与电子枪进行匹配,仿真结果表明该磁场可以保证电子注传输过程中脉动很小,流通率为100%。目前聚焦系统正在加工中,后续对完成加工的PPM聚焦系统进行测试。三、阐述传热学基本理论,利用Workbench软件对电子枪进行热分析确定电子枪工作温度,然后进行热形变分析得到电子枪热形变数据。根据热形变结果分析阴极及聚焦极形变量对电子流通率影响,在实际装配中将此形变量考虑进去,抵消热位移对电子枪及行波管性能的影响。四、行波管一体化设计。首先根据电子注腰位置处的粒子分布特点,采用Matlab软件对宏粒子信息进行处理,将得到新的宏粒子信息作为注-波互作用的粒子源,使注-波互作用计算中考虑粒子的真实情况,然后对理想发射源和实际发射源两种情况下的注-波互作用结果进行分析。同时对互作用后的粒子数据进行处理,解决互作用计算和收集极计算不兼容问题,设计单级降压收集极,在考虑二次电子的情况下,收集极回收效率为88%。