高功率微波(HPM)源用收集极用于接收束波耦合作用后的强流电子束,是HPM源中的最重要的器件之一。强流电子束(IEB)辐照收集极引起的材料温升、等离子体、电子发射、韧致辐射等复杂的物理效应对束波耦合作用不利,从而导致束波耦合作用效率降低,微波脉冲缩短,甚至收集极结构的破坏。随着HPM技术朝更高峰值功率和高能量方向发展,上述物理效应会愈发严重,HPM源用收集极将成为HPM技术发展的制约点之一。石墨是常用的电子收集材料,但石墨材料易析气且易导致真空系统碳污染问题,而TiC、SiC和TaC等碳化物具有熔点高而且具有一定导电导热能力。所以,本文基于石墨表面碳化物涂层改性来改善石墨在电子收集过程中存在的问题。使用蒙特卡罗软件MCNP5对材料在激励电压为1 MV,电流密度为1.43kA/cm~2,脉宽为40 ns的电子束辐照下的电子能量沉积规律进行了数值模拟,并基于能量守恒定律,计算了电子束辐照所引起的材料温升效应,模拟及计算结果表明:(1)电子在材料中的能量沉积峰值随材料电子密度增大而增加;材料对电子能量的吸收率和电子的入射深度随着材料电子密度增大而减小;材料表层温升值与材料的电子密度、密度以及比热容均有关,随材料电子密度增大而升高,随比热容的减小而升高。(2)涂层厚度为30μm的SiC/C和TiC/C复合材料与石墨的电子收集性能接近,SiC/C和TiC/C以及石墨对电子能量的吸收率分别约为0.995、0.993和0.996,SiC/C和TiC/C以及石墨电子辐照后的表面温升分别约为190℃、138℃和126℃;相同涂层厚度的TaC/C与石墨的电子收集性能差别较大,其对电子的能量吸收率以及辐照后的表面温升分别约为0.866和521℃。采用熔盐电镀Ti以及镀层Ti与石墨基体原位反应工艺在石墨表面制备了TiC涂层,研究了熔盐电镀工艺参数对Ti镀层的影响以及热处理工艺对Ti镀层微观形貌和物相的影响,结果表明:脉冲电镀得到Ti镀层较直流电镀得到的镀层更为致密、晶粒更为细小,但脉冲电镀无法缓解歧化反应;Ti离子的歧化反应活性随着熔盐温度升高而增加;熔盐中F离子与Cl离子的摩尔比提高有利于Ti离子稳定性的提高,从而改善Ti镀层的微观形貌,提高沉积效率。热处理温度对涂层粗糙度和微观形貌有重要影响:1400℃热处理后形成的TiC涂层表面粗糙度比热处理前Ti镀层的表面粗糙度有所降低,表面致密度有所提高,颗粒间出现接连,表面孔隙数量减少;2200℃热处理后形成的TiC涂层呈高结晶度的TiC颗粒,涂层形貌复型于热处理前Ti镀层的形貌。对石墨及其碳化物涂层表面改性材料的气密性、表面方阻和热扩散系数等基本性能进行测试,结果表明:碳化物涂层尽管封堵了石墨表面的孔洞,但碳化物涂层改性后材料的气密性有所降低;TiC和TaC涂层表面改性石墨的表面导电性较石墨基体有显著提高,SiC涂层表面改性石墨的表面导电性较石墨基体显著降低;碳化物涂层表面改性后的石墨热扩散系数变化不大。采用能量密度约为9.0 J/cm~2的IEB辐照石墨及其SiC、TiC和TaC碳化物涂层表面改性的阳极材料,研究其耐IEB辐照损伤能力以及对强流二极管特性的影响,结果表明:该实验条件下,阳极材料表面没有产生实质性辐照损伤,其强流二极管特性基本相同,不同阳极材料对应的电压幅值及脉宽分别约为280.0 kV和130.0 ns,电流幅值及脉宽分别约为3.8 kA和115.0 ns。当采用能量密度约为20.0J/cm~2的IEB辐照时,结果表明:石墨、SiC/C和TiC/C材料表面没有出现实质性辐照损伤,而TaC/C阳极材料表面出现熔融迹象;石墨阳极对应的电压幅值及脉宽分别约为200.0 kV和105.0 ns,电流幅值及脉宽分别约为8.9 kA和126.7 ns,由于SiC/C、TiC/C和TaC/C阳极表面产生了阳极等离子体,出现电流增大和脉宽缩短的现象,其对应的电流幅值较石墨阳极的分别增大约12.4%、12.4%和34.8%,电压脉宽分别缩短约4.5%、7.1%和19.2%,电流脉宽分别缩短约4.0%、4.0%和13.2%。