随着高功率微波(HPM)技术的发展,其在定向能武器、高灵敏远距离雷达、等离子体加热等领域具有越来越广阔的应用。阴极是HPM源中最重要的部件之一,最终HPM的特性很大程度上取决于阴极产生电子束的品质。石墨是目前HPM源用爆炸电子发射阴极的理想材料,石墨阴极虽然具有低出气率、重频运行稳定和长寿命(>106次)的优点,但其仍然存在电流密度较低、发射均匀性较差的缺点。根据场致爆炸发射理论和介质能级弯曲理论,阴极表面微观形貌及成分对其爆炸发射性能影响很大,因此,本文通过介质掺杂的途径来改善石墨阴极的爆炸电子发射性能。通过制备不同介质掺杂石墨阴极并对其基本性能进行测试,探索了介质掺杂对石墨材料微观形貌和成分组成的影响规律;通过测试不同介质掺杂石墨阴极在低电压下的电压-电流响应特性,探索了阴极表面介质属性和微观形貌对其电子发射性能的影响;通过测试不同介质掺杂石墨阴极在高电压下的微波产生特性,初步探索了阴极表面电子发射过程对微波输出脉宽的影响。为了研究介质种类及介质形貌对阴极电子发射性能的影响,采用固态粉体直接混合的方法分别制备了SiC、TiC、BN和LaB6掺杂石墨阴极,以及碳纳米管、碳纤维和碳化硅晶须掺杂石墨阴极;以化学气相沉积的方法制备了SiC掺杂石墨阴极。对掺杂石墨的微观结构和物理性能进行了研究,结果表明:经过2200℃、1h的高温石墨化处理,Ti、Si与碳发生反应转化为相应的碳化物,掺杂介质颗粒在石墨基体中的分散变得更加均匀,且介质掺杂有利于提高材料的石墨化度,从而有利于降低掺杂石墨材料的电阻率,提高其热导率和抗氧化性能。在电压160~190kV、脉宽约为20ns的脉冲测试平台下对掺杂阴极的电压、电流曲线进行了测试,通过对比分析阴极的电子发射延迟时间及二极管导流系数曲线,对不同掺杂阴极的表面介质属性和微观形貌对其电子发射性能的影响进行了分析。结果表明:TiC、LaB6和碳纳米管、碳化硅晶须掺杂石墨阴极在场发射阶段表现出了较好的电压响应特性,化学气相沉积得到的SiC掺杂石墨阴极和镀钛鳞片石墨粉得到的TiC掺杂石墨阴极在爆炸发射阶段表现出了较好的电流响应特性。对比发现,表面微观形貌对阴极电子发射性能的影响更大,阴极表面片状石墨晶粒形状因子增大以及纳米结构的存在,均有利于其场发射阈值的降低;阴极表面晶粒变小、以及纳米结构的存在,均有利于其发射微点数量的增加。在电压950~1000kV、脉宽约为40ns的高压强流脉冲加速器测试平台下,掺杂石墨阴极的电压-电流响应特性与低电压下有一定的对应性。SiC掺杂石墨阴极表现出了较好的微波特性,微波幅值均高于POCO-CZR纯石墨阴极,1600℃下CZR气相沉积SiC阴极的微波脉宽明显增大。万次发射后,碳化硅晶须和碳纤维掺杂石墨阴极的表面显微形貌发生了较大变化,微观均匀性有所提高,虽然其二极管电流幅值略有降低,但微波脉宽和幅值有所增大,表明其发射电子束的均匀性提高。