神龙二号注入器是一台感应叠加型强流脉冲电子束源，采用热阴极工作模式，为神龙二号加速器提供间隔可调的三脉冲电子束。该注入器的束流调试采取PIC模拟和实验调试交互验证、互相促进的方式，先是通过束斑测量确定引导线圈磁场的加载范围，然后通过PIC方法逐级梳理阳极段束线各线圈的磁场配置，再通过束斑测量加以确认。通过这种束流调试方法，获得了保持束流脉冲平顶完整通过的三种磁场配置，以适应下游加速段束流传输的不同要求。讨论了影响束流调试效果的因素，认为提升神龙二号注入器性能的关键是进一步改进大面积热阴极发射的均匀性。

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。

利用红外测温仪、光学测温仪、热电偶测温仪(铂铑-铂)对微波电真空器件用浸渍阴极表面、覆膜阴极表面、阴极侧面(钼筒)进行了温度对比测试研究。结果表明: 采用红外测温仪和光学测温仪测试浸渍阴极表面的温度与采用热电偶测温仪测试的温度相差不大, 而覆膜阴极却相差约50 ℃; 采用红外测温仪和光学测温仪测试阴极侧面(钼筒)的温度相差不大, 都低于热电偶测温仪测试的温度约60 ℃, 这说明红外和光学测试温度值低于阴极的实际温度(热电偶测量值)。由于在阴极表面出现了物理、化学变化, 红外测温仪和光学测温仪测试的阴极表面温度值在1150 ℃左右加热100 min内增加约30 ℃。分析认为这些差异主要是因为覆膜阴极的表面与浸渍阴极的表面及阴极侧面(钼筒)的发射系数不同造成的, 当然测试结果也会随着这些因素的变化而有一定的变化。

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

对一种热阴极高功率返波管进行了理论研究，其具有寿命长稳定性好的特点。采用的热阴极发射电流密度为20 A/cm2，发射面积为100 cm2，发射总电流为2 kA。首先对该热阴极单阳极电子枪进行仿真研究，在确保不打火的情况下获得电子枪优化设计参数，再对整管进行粒子模拟研究，仿真结果表明,在工作频率为10.5 GHz时，该热阴极返波管的输出功率可以达到290 MW，换能效率为29%。

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。

通过适当地改造2 MeV注入器实验平台,使系统具备了开展光阴极研究的能力,主要的改动有:将观察窗材料改为石英,增加266 nm固体激光器,对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极,实验中最高加热到了740 ℃,观测到了光电发射和光致等离子体发射现象,最大的激光功率密度为1.3 MW/cm2,最大发射电流密度约为16 A/cm2,光电发射的量子效率约为0.05‰。