根据绝热压缩和角动量守恒理论对55 GHz双阳极磁控式注入枪进行了初始参数的设计,并利用自主研发的三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟,通过改变阴极半径、电子注电流、阴极磁场等参数来分析其对磁控注入式电子枪输出结果的影响。最终通过优化参数和综合因素的考虑,得到了横纵速度比为1.44、最大速度零散为5.8%的高性能电子束,能够很好满足55 GHz回旋振荡管对电子束的要求。

为了增加回旋管的功率, 采用双注磁控注入电子枪产生相对论电子注。与双阳极磁控注入电子枪相比, 双注磁控注入电子枪产生双束电子注, 在不影响电子注质量的基础上, 增加电子枪的电流; 电子枪产生相同电流时, 双注磁控注入电子枪电子注电流小, 电子注电子之间的空间电荷效应小, 能够降低电子注的速度零散, 提高电子注的质量。采用MAGIC软件数值模拟双注磁控注入电子枪, 设计出一支大束流、低速度零散的双注磁控注入电子枪。

基于trade-off平衡方程组得到35 GHz双阳极磁控注入式电子枪的初始参数，通过编程对其主要参数进行优化设计，并经由自主研发的PIC粒子模拟软件CHIPIC中的电子枪计算模块对其进行全三维的数值模拟研究，最终获得了具有横纵速度比为1.5，最大速度零散约为5.4%的高性能电子枪，能够很好地满足35 GHz-100 kW回旋振荡管对电子束的要求。

在模拟直线感应加速器电子束输运过程中，为了正确设置注入器电子束参数，以注发射模型为基础，研发了可设置发射度、能散和电子束倾斜的多功能发射模型。理论研究了发射度、能散以及电子束倾斜角度，并将这些理论实现到发射模块上。建模对多功能发射模块进行测试，比较设定的电子束参数与模拟测定的电子束参数。通过比较，观测到设定电子束参数与模拟测定值一致，验证了多功能模块开发的正确性。

对真实磁场进行拟合，根据电子光学原理以及绝热压缩理论，运用EGUN软件，设计了工作模式为TE34,19的170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪。最终得到的电子注速度比约为1.3，速度零散小于3%。分析了调节磁场位置、阴阳极间距、阳极间距等因素对电子注性能的影响。结果表明：电子注的速度比和速度零散对于这些影响因子的变化比较敏感,随着阴阳极间距以及阳极间距的增加，速度比逐渐减小，速度零散先减小后增大。设计的双阳极电子枪已应用于整管实验中。

根据0.14 THz共焦波导回旋行波管对电子枪的要求, 完成了双阳极磁控注入电子枪的设计。使用PIC软件对理论设计得到的结构参数进行了模拟优化, 最终得到该枪的电子注横纵速度比为0.75, 纵向速度零散1.33%。讨论了电极形状、阴极磁场、控制极电压及发射电流对电子注性能的影响, 结果表明, 设计过程中应对它们进行充分的优化。

根据94 GHz回旋振荡管对电子束的需求，在理论分析电子枪工作原理的基础上通过大量编程对94 GHz单阳极磁控注入式电子枪的一系列参数进行了初始设计,基于粒子模拟软件CHIPIC开发了专门针对磁控注入式电子枪的计算模块并对其进行了数值模拟。模拟结果显示：该枪的电子束横纵速度比为1.42、速度零散为4.6%，符合回旋振荡管对电子注的要求。

根据拉格朗日方程对电子在平滑会切磁场中的径向波动与速度零散的关系进行讨论。运用Matlab, Magic软件相互结合的方法设计电子枪结构和磁场。用Matlab程序模拟单电子在给定电场、磁场中的运动, 分析了单电子径向速度对零散的影响, 并优化磁场分布。设计的磁场可以有效地减小单电子束径向速度, 降低电子束速度零散。用Magic软件对电流为1 A、能量为30 keV的电子束在优化磁场中的运动进行仿真, 得到的电子束速度比约为2, 速度零散小于2.5%, 轴向速度零散小于8.5%。

基于绝热压缩原理和强流电子光学理论，设计了一只170 GHz回旋管双阳极磁控注入电子枪，经过理论分析及计算，采用仿真软件进行模拟和优化，最终得到的电子枪的电子注速度比为1.31，横向速度零散度为3.5%，纵向速度零散度为6.1%，束电流为51 A。讨论了阴极磁场、控制阳极电压和第二阳极电压等因素对电子注性能的影响，发现电子注的速度比和速度零散度对这些影响因子的变化都非常敏感: 随着阴极磁场的增大，电子注的速度比减小，纵向速度零散度先增大后减小，横向速度零散度先减小后增大；阳极角越接近阴极倾角，纵向速度零散度越小；阳极角向着减小阴阳极间距的方向变化时横向速度零散度变小;增大第一阳极电压可以增大电子注的速度比和电子注的速度零散度。在两阳极电压不变的情况下，增大阴阳极之间的距离会使电子注的速度零散度和电子注的速度比减小。

计算了8 mm二次谐波回旋速调管双阳极电子枪的设计参数,根据这些参数,采用EGUN软件进行模拟和优化,设计出了一只双阳极磁控注入电子枪,该枪的电子束纵横速度比为1.45,速度零散为5.4%,并讨论了电极形状、磁场分布、电流、控制极电压和第二阳极电压对电子注性能的影响,结果发现电子注对这些影响因子非常敏感,设计中应对它们进行充分优化.