理论分析了收集极中运动电子的失能机制和电子能量对电子束能量沉积的影响,用蒙特卡罗方法计算了不同能量下入射电子的能量沉积分布,分析了电子能量对电子束在收集极中能量沉积的影响,并据此提出了提高收集极耐电子束轰击能力的两种途径。结果表明：激发和电离是收集极中入射电子的主要失能机制；电子的能量越高,在材料中的穿透能力越强,收集极中被收集电子束的最大能量沉积密度越低。综合考虑束流密度分布对能量沉积的影响,可通过两种途径来提高收集极耐电子束轰击的能力：一是通过结构设计增大电子束的收集面积,减小收集极上被收集电子束的束流密度；二是设计高阻抗器件,增大被收集电子束的电子能量,减小收集极上被收集电子束的束流密度。

理论分析了引导磁场对收集极材料中电子运动的约束作用,推导了引导磁场作用下二次电子的逃逸条件,利用蒙特卡罗方法计算了引导磁场作用下电子束在收集极中的能量沉积规律。研究结果表明：引导磁场对电子在材料内部的运动约束作用很弱,对二次电子有强约束作用；大部分二次电子经拉莫回旋再次轰击在收集极上被收集,逃逸的二次电子沿引导磁场方向进入束波作用区；增大电子的入射角度时,束流密度的降低和二次电子的再次入射降低了收集极中电子的最大沉积能量密度,提高了收集极的耐电子轰击能力。

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%。