阴极和收集极分别作为强流电子束起点和终点,对高功率微波源的性能具有重要影响。石墨是较好的爆炸发射阴极和强流电子束收集极材料,但其仍存在易释气、易造成系统碳污染等缺点,从而影响了石墨阴极和收集极在高功率微波源中的性能。目前,从材料角度改善石墨阴极和收集极性能的研究很少,对阴极表面材料成分和微观形影响其爆炸电子发射过程及性能的研究较少,对这一问题的认识仍然不够清晰。同时,高功率微波技术的发展对石墨阴极和收集极的性能和使用寿命提出了更高的要求。本文选择用SiC、TiC和TaC三种不同成分的碳化物对石墨阴极进行表面改性,且通过控制改性工艺得到不同微观形貌的碳化物改性石墨阴极,研究碳化物改性石墨阴极表面材料成分及微观形貌对阴极爆炸发射性能的影响规律,为石墨基介质改性阴极的发展提供参考。此外,对TiC和TaC改性石墨材料收集强流电子束的性能进行研究,为提高收集极性能和拓展收集极材料提供参考。采用化学气相渗透法实现了不同形貌SiC改性石墨材料的可控制备。研究表明,调整CO气体浓度（或分压）可控制SiC晶体在石墨基体表面生长形态,调整反应温度可控制SiC晶须长短、疏密和SiC颗粒大小。降低系统总压,或者降低反应温度,均有利于增大SiC渗入石墨基体的深度。通过熔盐中不稳定的中间价态金属离子在石墨基体上发生歧化反应,可在石墨表面原位形成金属碳化物,调整反应温度可以改变金属碳化物在石墨基体表面的覆盖度。经过1600℃真空热处理和2200℃流动Ar保护热处理的两步后处理技术,可有效消除石墨基体中的残盐和残氧,得到纯净的金属碳化物改性石墨材料。基于此,分别制备了不同形貌的SiC改性石墨阴极、不同覆盖度的TiC和TaC改性石墨阴极、TiC和TaC改性石墨收集极样品。采用不同形貌、成分微凸起表面电场分布模拟计算与场发射实验测试相结合的方法,对碳化物改性石墨阴极材料的场发射启动速度和场发射电流密度增长率进行了研究。采用不同形貌、成分微凸起爆炸发射模拟计算与爆炸发射实验测试相结合的方法,对碳化物改性石墨阴极的爆炸发射启动速度、爆炸发射电流和发射均匀性进行了研究。结果表明:石墨表面经碳化物改性后场发射启动速度变慢、场发射电流密度增长率减小;TiC和TaC全覆盖的石墨阴极场发射启动速度比部分覆盖的石墨阴极快,场发射电流密度增长率比部分覆盖的石墨阴极大;相似形貌的SiC、TiC和TaC改性石墨阴极中,SiC改性石墨阴极的场发射启动最慢、场发射电流密度增长率最小。阴极的场发射启动速度越快,则其爆炸发射启动速度也越快,但由于场发射电流密度增长率和阴极表面成分对焦耳加热过程的影响,导致阴极爆炸发射启动速度并不完全依赖于阴极场发射启动速度;由于电介质的低电子迁移率,导致电介质凸起表面有效发射面积较相同形貌的导体凸起大,导致电介质改性石墨阴极的发射均匀性较相同形貌的导体改性石墨阴极好。采用实验手段分别对碳化物改性石墨阴极的爆炸发射阈值、束流增长率以及微波起振时间、微波脉宽和微波幅值进行了研究。结果表明:阴极发射束流增长速度不总是依赖阴极发射阈值,但在阴极发射阈值较大的情况下会获得较快的束流增长速度;束流增长速度对微波起振时间和微波幅值都会有影响,当束流增长速度较快时,不是导致微波起振时间提前,就是导致微波幅值增大,这都有利于微波能量的增大。对碳化物改性石墨阴极的发射稳定性研究表明:环形阴极在返波管中的强流电子发射集中于刀口边缘,尤其是外边缘;虽然多次脉冲发射后碳化物改性石墨阴极刀口外边缘表面的碳化物被明显消耗,但石墨基体内部数十甚至上百微米的范围内也存在较多碳化物,因此在脉冲发射次数不断增多的情况下,即使阴极表面的碳化物被完全消耗,石墨基体内部的碳化物也会裸露出来继续参与强流电子发射,从而维持碳化物改性石墨阴极强流电子发射的稳定性;在石墨表面进行SiC、TiC和TaC改性,都有助于提高石墨阴极的强流电子发射稳定性和使用寿命。从导热性、表面导电性和平整性这三种基本性能,以及二极管特性和耐电子束轰击性这两种应用性能着手,分别对TiC和Ta C改性石墨材料的强流电子束收集性能进行了研究。结果表明:石墨材料经过表面TiC和TaC改性后,在导热性基本不变的情况下,材料表面电导率和表面平整性显著提高;低压长脉冲的实验条件下,阳极靶片成分对二极管特性有较大影响,产生影响的原因是不同成分靶片受电子束作用后产生阳极等离子体的特性不同,阳极靶片产生等离子体的时间越早、阳极等离子体膨胀速度越快,则二极管间隙缩短速度越快,导致阻抗下降速度和导流系数增大速度加快;单次低压长脉冲电子束作用下,石墨和表面TiC、TaC改性石墨材料的损伤主要出现在表层,损伤原因主要是温升导致的石墨释气、颗粒氧化,以及涂层熔化、脱落等;而在高压短脉冲电子束重频多次作用下,石墨和表面TiC、TaC改性石墨材料的损伤主要出现在石墨内部,损伤原因是热击波形成的超大应力。