对强磁场相对论返波管系统中电子束收集极损伤的主要影响因素进行了分析,通过设计并使用锥面不锈钢收集极,提高了收集极的耐电子束轰击能力。在单次实验条件下,研究了电子束能量密度对不锈钢收集极表面损伤及系统产生微波的影响,结合对无箔二极管中电子束空间密度分布的研究结果,给出了不锈钢收集极损伤电子束能量密度阈值范围。

针对一种返波管常规收集极，实测了电子束在收集极内表面的有效作用面积，以电子能量700 keV、束流7 kA和脉宽50 ns为例，计算了单脉冲时的热功率沉积和平均热流密度。利用通用有限元软件ANSYS，采用脉冲热源加载的方式，在对流换热系数7 000 W/(m2·℃)、水温20 ℃的条件下，得到了收集极10～100 Hz运行时温度历史曲线及温度分布，并比较了不同重复频率下收集极平衡温度与对流换热系数的关系。如果以300 ℃为气体发生显著热脱附的温度阈值，对流换热系数为7000 W/(m2·℃)时，能够满足重复频率50 Hz以下运行,而到100 Hz时，对流换热系数则需增加到104 W/(m2·℃)。根据流体计算公式，给出了不同对流换热系数对应的水流流速。

利用高频电磁软件对带电子束收集极的S波段大间隙输出腔进行了高频特性分析，采用3维PIC程序模拟了电子束收集极对大间隙速调管输出效率的影响。研究结果表明：收集极的存在会改变输出腔的本征谐振频率和电子束路径上的特性阻抗等高频特性,但收集极可以短路间隙附近的径向电场，减小电子束的空间电荷压力，同时对群聚电子进行再加速，从而提高大间隙速调管的输出效率；在束电压700 kV，直流电流6 kA时，优化后的带收集极的大间隙输出腔可稳定提取大于1.68 GW的微波功率，提取效率约40.1%，比无收集极时提高约5%。