环形正负电子对撞机（CEPC）对注入器出口处的束团的电荷量、横向发射度、纵向长度等指标提出了严格的要求，设计开发高性能的电子枪及注入器成为了重要挑战。为了得到满足指标的束流，必须同时考虑众多非线性且相互耦合的变量。基于光阴极微波电子枪，提出了一种用多目标遗传算法在高维参数空间进行搜索的方法，对束团的横向归一化发射度和纵向长度进行优化，以期将电子枪的性能发挥至极限。由于考虑空间电荷效应后的束团传输过程模拟计算非常耗时，我们构建了一个3层的深度高斯过程作为替代模型，以解决目标值计算开销大的问题。通过对影响束流横、纵向相空间演化的关键因素分析，共确定了16个几何参数和10个束流元件参数。最后，展示了对由一个L-band的常温微波电子枪、一对螺线管和一个行波加速管组成的注入器，在初始电荷量为10 nC的优化结果。在计算了8 000个有效解后，观察到在两个优化目标上均表现良好的解，其对应的横向归一化发射度为19.8 π·mm·mrad，束团长度（RMS）为1.0 mm，与当前的设计结果比较，横向归一化发射度压低了约70%。

基于140 GHz兆瓦级回旋振荡器电子枪设计和研制，利用ANSYS热分析软件，建立相应的磁控注入电子枪模型，分析电子枪工作时阴极温度均匀性及热形变，尝试通过相关几何和电参数的调整，在改善阴极温度均匀性的基础上，尽可能消除热形变对电子轨迹质量的影响。通过对比相同加热功率下阴极发射带的实测温度及仿真温度，评价了仿真模型及结果的合理性，为阴极组件的实际设计提供了参考数据。

高重复频率、高平均流强的电子枪具有十分广泛的应用。设计了一台束团重复频率为325 MHz在CW模式工作的微波栅控高压型热阴极电子枪，并详细论述了该类型微波栅控电子枪的实验原理。在该类型电子枪的设计中，首先需要利用仿真模拟软件EGUN、POISSON（PoissonSuperfish）、GPT（General Particle Tracer）完成300 kV直流高压电子枪的结构设计，并进行束流动力学验证计算。为将微波馈入该直流电子枪的阴栅极之间，进行了该微波栅控电子枪的供电系统设计，完成了从射频功率源到同轴热阴极的阻抗匹配方案，设计了一种325 MHz双模式同轴供电器件，并进行了验证与分析。

在一种猝发高重频的X射线自由电子激光（XFEL）装置中，由于受到光阴极注入器内补偿螺线管与电子枪之间特殊结构的限制，阴极附近电场与磁场为叠加状态。实验中需要对阴极热发射度进行测量，而测量热发射度常用的螺线管扫描法基于几何发射度不变的前提，无法直接应用于电磁场叠加的结构。针对这一问题，考虑到归一化过程可以剔除电场对发射度的影响，基于此，研究归一化相空间中应用的螺线管扫描法，并通过仿真计算与分析，最终证明该方法适用于电磁叠加场中阴极热发射度的测量。

电子光学系统是毫米波速调管长寿命和整管性能实现的关键，毫米波速调管零件尺寸较小，为了在Ka波段和W波段实现千瓦量级的输出功率，要求具有高的电子注通过率及低的阴极负荷。对Ka波段和W波段电子光学系统特性进行了分析，确定了Ka波段10 kW分布作用速调管和W波段1 kW分布作用速调管电子光学系统的设计方案，利用软件对电子枪和聚焦系统的结构进行计算，并采用CST仿真软件对设计的电子枪发射的电子注在聚焦磁场中的状态进行优化。设计出的Ka波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压26 kV，发射电流2 A，互作用区长度30 mm，磁场强度大于0.6 T，流通达到100%。设计的W波段速调管电子光学系统，电子枪工作电压17 kV，电流0.65 A，互作用区长度20 mm，磁场大于0.9 T，流通达到100%。已制成Ka波段速调管和W波段速调管，设计的电子光学系统能够满足速调管工程化需求。