近年来热阴极特别是钪系阴极得到充分发展，有望成为高功率微波的电子源。提出一种基于热阴极的新型“面包圈”式电子枪模型，以此电子枪作为相对论返波管的环形电子束发射源。通过仿真软件 CST PARTICLE STUDIO对模型进行仿真验证，所得电子枪发射电流为 786 A，阴极发射电流密度为30 A/cm2，电子束密度为 305 A/cm2，电子通过率为 99.9%。最后对热阴极在高功率微波器件中的应用进行了初步探索。

从热发射理论出发，推导了非均匀发射阴极的均方根本征发射度的一般计算形式。针对一种最常见的温度径向分布近似模型，给出了均方根发射度随温度非均匀性变化趋势的理论数值解。基于有限差分法粒子仿真技术统计了热阴极的本征发射度，仿真结果与理论解一致，验证了非均匀发射热阴极本征均方根发射度一般形式的正确性。结果表明，径向温度非均匀性引起均方根发射度显著变化，非均匀系数为10%时引起均方根发射度下降约15%。本文建立的理论形式和仿真方法可以有效评估束流品质控制目标和工程热设计之间的依赖关系，以指导高效费比的工程设计。

中国工程物理研究院紧凑型自由电子激光太赫兹源装置采用了两路微波独立调谐热阴极微波电子枪作为注入器，一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场并引出电子，另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔，两路微波互不耦合。对于这种微波激励方式，微波电子枪首腔的电场相位和幅度在实验中均可调节，因此可以通过实验研究来优化微波电子枪的工作参数，从而减小热阴极微波电子枪的电子反轰效应，提高束流品质。介绍了该热阴极微波电子枪热测实验研究的最新结果，通过BCT测得微波电子枪出口处束流强度超过400 mA，电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化，这些指标和实验现象与理论研究结果较为吻合

研究了一种LaB6与TaC混合涂层热阴极，其发射层通过均匀混合LaB6与TaC粉末得到。比较了该阴极在LaB6与TaC混合比例为1∶1, 2∶1和3∶1下的发射特性，发现混合型LaB6阴极的功函数与多晶LaB6阴极的非常接近，在3∶1的混合比例下，电极的发射电流稳定，得到的电流密度为30 A/cm2。该电极可被应用于需要大电流密度和超大面积阴极的真空电子器件及动态真空电子束设备中。

为开展自由电子激光太赫兹技术研究, 研制出利用两路微波馈入的独立调谐热阴极微波电子枪, 建立了热测实验装置, 并进行了束流测试和电子反轰效应的热测实验研究。实验结果表明, 该微波电子枪出口处束流强度可超过500 mA, 电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化。

为了研制紧凑型自由电子激光装置, 开展自由电子激光太赫兹技术研究, 需要研制微波电子枪作为高品质电子束源, 为此, 中国工程物理研究院研制了独立调谐热阴极微波电子枪。在前期进行了初步热测实验的基础上, 通过改进实验环境、优化实验参数, 进一步开展大量实验, 深入研究了热阴极微波电子枪的热测实验结果。实验结果表明:微波电子枪出口处束流强度可超过500 mA, 电子反轰效应随着首腔电场的相位和幅度调节发生显著变化。该热阴极微波电子枪已经应用于紧凑型自由电子激光装置。

简述了紧凑型自由电子激光太赫兹源研制的系统设计方案,介绍了具有两路微波馈入的热阴极微波电子枪的研制与测试情况，利用束流传感器测试了束流强度，并利用CCD相机测试了束斑大小，给出了微波电子枪通过初步热测实验得到的结果。测得微波电子枪出口处束流强度超过500 mA，束斑约3 mm，采用双屏法测量束流发射度，得到归一化发射度约为13.5 π·mm·mrad，测试指标与理论设计值吻合较好。

为了开展基于自由电子激光的紧凑型太赫兹源技术研究,获得高品质(强流、低能散、低发射度)电子束,提出了一个低反轰双路微波馈入多腔热阴极微波电子枪的设计方案。用两路独立微波馈入激励微波电子枪,一路由首腔馈入激励首腔和实现阴极表面建场引出电子,另一路由后续腔馈入并通过腔间耦合激励各腔。两路微波互不耦合,通过移相器实现首腔和第2腔之间的相移连续可调。理论模拟结果表明:在一个射频周期内,热阴极微波电子枪的电子反轰功率约8 kW,平均反轰功率仅为1.2 W(重复频率25 Hz和脉宽6 μs)。

实验利用二极管型电子枪研究了单晶LaB₆热阴极的直流发射特性.阴阳极间距5 mm,从直径为2 mm发射体上测得175 mA直流束流(阴极温度约为1 870 K、阴阳极电压6.5 kV、空间电荷限制状态),电流密度为5.57 A/cm².采用Longo方程拟合直流发射电流,该方法比以往单纯用Child或Richardson-Dushman公式更符合实际.实验还观测了阴极工作环境和表面状态对直流发射的影响,当真空度低于7×10^-4 Pa时,阴极发射能力逐渐下降,阴极表面碳、氧污染使发射体功函数升高.长时间加热后,石墨上会蒸镀LaB₆,由此会造成热子电阻的下降.分析表明La原子补充不及时和表面气体吸附是影响直流发射能力的主要因素.

介绍了一种新型的轴耦合热阴极微波电子枪的设计,该枪采用了缩短首腔以及在首腔与主加速腔间插入耦合半腔的设计思想,在不破坏粒子束性能的基础上尽量减小反轰功率,给出了用Superfish 及Pamela软件进行物理设计以及粒子动力学计算的结果,在脉冲宽度为6μs,重复频率为25Hz时,阴极上平均反轰功率为3.6W,达到设计要求.