低增益自由电子激光要求电子束同时具有较高的亮度和较高的平均流强,金属光阴极微波电子枪受限于重复频率,平均流强较低,而热阴极微波电子枪虽然具有较高的平均流强,但由于电子反轰的影响,束间能散较大。在这样的背景下,我们开展了基于场致发射阴极的微波电子枪的研究,利用微波场的高加速梯度保证电子束的品质,利用场致发射阴极的连续发射保证较高的平均流强。理论上,我们研究了场致发射电流在微波场微脉冲和宏脉冲内的分布规律,分析了建场过程中电流波形的变化,得到了场致发射的均方根宽度与电流波形的关系。对于平面的均匀发射的阴极,推导了场致发射电子束的热发射度公式,并采用数值积分的方法,研究了热发射度与阴极表面温度和电场的关系。针对场致发射特殊的相位分布,对单频加速结构和混频加速结构进行了模拟研究。对于单频枪,通过优化枪长能够获得较低发射度的电子束,通过增加腔间漂移段能够获得线性的纵向分布。对于混频枪,研究了场致发射的相位和宽度与混频参数的关系。束流动力学计算表明,采用TM030模混频时,倍频场引起的射频效应较小,从而能够获得较低发射度、较低能散的电子束。在此基础上提出了仅在首腔中引入TM030模的混频加速方式,既能充分利用混频的优势,又能尽量减少倍频场的射频效应。另外,针对场致发射过程中的焦耳热效应,初步建立了碳纳米管阴极的一维热传导模型,利用该模型研究了碳纳米管的阈值电流密度与碳纳米管的尺寸和衬底的物理参数之间的关系。尽管该模型包含诸多假设条件,但是它给出的变化规律对阴极的制备和实验具有一定的参考作用。实验上,搭建了一个基于S波段微波电子枪的测量平台,并对金刚石薄膜样品和碳纳米管薄膜样品的场致发射性能进行了测量。对于金刚石薄膜,在25MV/m的电场下,获得了大小约5.5m A、均方根宽度约21度的平均电流。对于碳纳米管薄膜,在13MV/m的电场下,获得了大小约72m A、均方根宽度约16度的平均电流。对碳纳米管薄膜的热效应分析表明,电流来自于场致发射;束斑测量结果表明其横向均匀性较好;多次测量和连续测量表明其稳定性较好。