电子收集极材料及电子收集极的制备方法

摘要

本发明公开了一种电子收集极材料及电子收集极的制备方法，电子收集极材料包括石墨基体以及相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC，TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，且形成于石墨基体的表面和填充于石墨基体的孔隙中。电子收集极的制备方法包括以下步骤：（1）制备收集极预制体：将钛源和熔盐介质混合后在惰性气氛下加热至熔融状态，得到熔融混合物，将石墨收集极坯体浸没于熔融混合物中，取出冷却后得到收集极预制体；（2）烧结：将步骤（1）所得的收集极预制体进行烧结，得到电子收集极。该电子收集极材料具有耐电子轰击、清洁性好、使用寿命长、导热及导电性好等优点，该电子收集极的制备方法工艺简单、成本低廉、可操作性强。

权利要求

1.一种电子收集极的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备收集极预制体：将钛源和熔盐介质混合后在惰性气氛下加热至熔融状态，得到熔融混合物，将石墨收集极坯体浸没于所述熔融混合物中，取出冷却后得到收集极预制体；

(2)烧结：将步骤(1)所得的收集极预制体进行烧结，得到电子收集极；所述钛源为钛粉和六氟钛酸钾粉的混合物。

2.根据权利要求1所述的电子收集极的制备方法，其特征在于，钛粉和六氟钛酸钾粉的摩尔比为3∶1。

3.根据权利要求2所述的电子收集极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述加热温度为800℃～1100℃，所述浸没时间为1h～5h。

4.根据权利要求3所述的电子收集极的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述烧结温度为2000℃～2400℃，时间为1h～2h。

5.根据权利要求1～4任一项所述的电子收集极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述熔盐介质为KCl和NaCl的混合物，KCl和NaCl的摩尔比为1∶1。

6.根据权利要求1～4任一项所述的电子收集极的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述惰性气氛包括氩气气氛或氮气气氛。

7.一种如权利要求1～6任一项所述的制备方法制得的电子收集极，包括石墨基体，其特征在于，还包括相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC，所述TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，所述TiC填充于所述石墨基体的孔隙中。

8.根据权利要求7所述的电子收集极，其特征在于，所述TiC从石墨基体表面到石墨基体内部存在成分递减梯度，深度为100μm～500μm。

9.根据权利要求8所述的电子收集极，其特征在于，还包括覆盖于石墨基体表面的TiC涂层，所述TiC涂层的厚度为10μm～30μm。

10.根据权利要求9所述的电子收集极，其特征在于，所述TiC涂层为单质Ti与石墨基体表面的碳原位反应形成。

说明书

电子收集极材料及电子收集极的制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于真空电子技术领域，尤其涉及一种电子收集极材料及电子收集极的制备方法。

背景技术

[0002] 高功率微波（HPM: High Power Microwave）是通过强流电子束在一定电磁结构中进行束波能量交换而产生的，由于电子束的能量转化效率较低，携带有大部分剩余能量的电子束需由收集极收集。强流电子通过与收集极材料的相互作用逐步损失能量，并最终沉积在材料内部，从而实现电子束的收集。收集极长期受到强流电子束重复轰击，会使收集极表面产生电子发射、韧致辐射和严重的温升甚至熔化现象。由于电子束能量沉积导致的材料表层和亚表层的温升是非均匀的，由此会导致材料变形不均匀，从而产生热力波。当应力波大于材料破坏强度时，会使收集级表层剥落；若电子束能量沉积引起收集极材料的熔化，熔融汽化的物质在强电场作用下形成等离子体，而等离子体的膨胀会使得二极管间隙缩短，导致微波源的阻抗变小；从收集极表面发射的自由电子进入束波耦合区，会降低阴极发射的强流电子束速度，展宽其电子能量分布，从而降低了束波耦合效率和微波输出功率；韧致辐射所产生的X射线能够使物质产生电离，并对设备和人员均会产生损伤。总之，高能量电子束辐照收集极产生的材料温升、电子发射、韧致辐射等复杂的物理现象对束波耦合作用不利，从而导致高功率微波源的束波作用效率降低，微波脉冲缩短，甚至造成收集极结构的破坏。随着HPM技术朝更高峰值功率和高能量方向发展，HPM源用收集极问题越发凸显，并成为HPM技术发展的制约点。

[0003] 目前，常用作强流电子束收集极的材料主要有不锈钢、铜（Cu）、铝（Al）、钛（Ti）、镍（Ni）、钼（Mo）、钽（Ta）以及石墨等。论文“Effects of anode materials on the performance of explosive field emission diodes. IEEE Trans. Plasma Sci. 2002, 30(3): 1232-1237. （阳极材料对爆炸场发射二极管性能的影响，IEEE等离子体科学汇刊）”中，D. A. Shiffler和J. W. Luginsland等人从二极管电流曲线和二极管放气特性入手，研究了不锈钢、Al、和无氧Cu三种收集极材料，结果表明，无氧Cu表现出了最好的性能。
论文“Cathode and anode optimization in a virtual cathode oscillator. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2007, 14(4): 1037-
1044. （虚阴极振荡器中阴极和阳极最优化，IEEE电介质与电气绝缘科学汇刊）”中，Y. Chen和J. Mankowski等人对比了网状不锈钢和Ta收集极，结果表明，Ta收集极具有更长的使用寿命。论文“Gas evolution of nickel, stainless steel 316 and titanium anodes in vacuum sealed tubes. Power Modulator and High Voltage Conference IEEE. 2012, 239-240. （镍、316不锈钢和钛阳极在真空密封管中的放气特性，IEEE等离子体科学汇刊）”中，J. Parson和J. Dickens等人研究了Ni、Ti、不锈钢三种材料作为收集极时的放气特性，结果表明，Ti收集极的性能最好。论文“Measurement of electron energy deposition necessary to form an anode plasma in Ta, Ti, and C for coaxial bremsstrahlung diodes. Journal of Applied Physics. 1989, 66(1): 10-23. （同轴韧致辐射二极管中Ta、Ti和石墨产生阳极等离子体所需电子沉积能量的测量，应用物理）”中，T. W. L. Sanford和J. A. Halbleib等人研究了Ta、Ti和石墨三种材料作为收集极时，产生等离子体所需的电子沉积能量，结果表明，石墨收集极产生等离子体所需电子沉积能量最高，Ti次之，Ta最低，说明同等条件下，石墨作为收集极最不容易产生等离子体。C. F. Lynn和J. M. Parson等人的论文“Anode materials for high-average-power operation in vacuum at gigawatt instantaneous power levels. IEEE Trans. Plasma Sci. 
2015, 62(6): 2044-2047. （在吉瓦级瞬时功率水平下运行于真空中产生高平均功率的阳极材料，IEEE等离子体科学汇刊）”研究了石墨、Mo、Ti、不锈钢和Cu等收集极材料，结果表明，石墨作为收集极时电子入射深度最大，同一时刻的温升最低，且自身热辐射散热速度最快。

[0004] 上述强流电子束收集极的材料均有各自的优势和缺陷，不锈钢、Cu、Al、Ti、Ni等金属虽具有高的热导率和良好的导电性，且原子序数不是很高，但较低的熔点制约了它们的使用寿命。Mo、Ta等难熔金属虽具有高熔点、高电导率和热导率，但由于其原子序数大，故其表面温升、电子发射和韧致辐射较为严重。石墨具有导电、导热、高熔点、低原子序数的特点，且其二次电子发射系数小，有助于收集极效率提高，但石墨材料多孔，故HPM系统保真空难度加大，此外，石墨收集极会产生真空系统的碳污染，会导致器件绝缘性下降。因此，亟待开发综合性能更优异的强流电子束收集极材料。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种耐电子轰击、清洁性好、使用寿命长、导热及导电性好的电子收集极材料，还相应提供一种制备方法简单、成本低廉、可操作性强的电子收集极的制备方法。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种电子收集极材料，包括石墨基体，还包括相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC，所述TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，所述TiC填充于所述石墨基体的孔隙中。

[0008] 上述的电子收集极材料，优选的，所述TiC从石墨基体表面到石墨基体内部存在成分递减梯度，深度为100μm～500μm。

[0009] 上述的电子收集极材料，优选的，还包括覆盖于石墨基体表面的TiC涂层，所述TiC涂层的厚度为10μm～30μm。

[0010] 上述的电子收集极材料，优选的，所述TiC涂层为单质Ti与石墨基体表面的碳原位反应形成。

[0011] 作为一个总的发明构思，本发明还提供一种电子收集极的制备方法，包括以下步骤：

[0012] （1）制备收集极预制体：将钛源和熔盐介质混合后在惰性气氛下加热至熔融状态，得到熔融混合物，将石墨收集极坯体浸没于所述熔融混合物中，取出冷却后得到收集极预制体；

[0013] （2）烧结：将步骤（1）所得的收集极预制体进行烧结，得到电子收集极。

[0014] 上述的电子收集极的制备方法，优选的，所述钛源为钛粉和六氟钛酸钾粉的混合物，钛粉和六氟钛酸钾粉的摩尔比为3∶1。

[0015] 上述的电子收集极的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述加热温度为800℃～1100℃，所述浸没时间为1h～5h。

[0016] 上述的电子收集极的制备方法，优选的，所述步骤（2）中，所述烧结温度为2000℃～2400℃，时间为1h～2h。

[0017] 上述的电子收集极的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述熔盐介质为KCl和NaCl的混合物，KCl和NaCl的摩尔比为1∶1。

[0018] 上述的电子收集极的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，所述惰性气氛包括氩气气氛或氮气气氛。

[0019] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0020] 1、本发明创造性地提出了将具有TiC过渡层的石墨材料作为电子收集极材料。碳化钛（TiC）兼具陶瓷和部分金属特性，具有抗辐照、导热、导电性好、化学稳定性好、高熔点、低原子序数的特点，理论上非常适用于强流电子束收集极，但由于硬度太高，很难直接加工成所需的收集极。考虑到石墨良好的耐电子束轰击能力，碳化钛与石墨热膨胀系数相近，因此可尝试在石墨表面复合一层碳化钛得到碳化钛-石墨复合材料作为收集极。本发明的复合收集极材料采用一种原位生长的方式获得，具体为活性单质Ti与石墨基体原位化学反应形成TiC，所形成的TiC从石墨基体表面渗入石墨基体内部，并占据石墨基体的孔隙形成钉扎作用。原位化学反应形成的碳化钛与石墨基体的结合强度高，且提高了石墨基体表面的致密度。

[0021] 2、本发明的电子收集极材料，原位反应深度优选为100μm～500μm。在本反应深度内， TiC从石墨基体表面到石墨基体内部存在含量递减梯度，且TiC和石墨基材融合交织在一起形成了一个充分的钉扎，保证了TiC和石墨材料的有效结合，进一步提高了结合强度。由于碳化钛与石墨基体复合区间的热膨胀系数呈连续变化，因此，与将碳化钛直接复合在石墨基体表面的方式相比，本发明的电子收集极材料具有更好的结构稳定性和耐电子束轰击能力，同时也具有更长的使用寿命。

[0022] 3、本发明的电子收集极材料，还包括覆盖于石墨基体表面的TiC涂层，不仅保持了耐电子束轰击能力，覆盖于石墨基体表面的TiC涂层还可以有效改善石墨表面多孔和碳污染的不足，可降低石墨基体表面孔隙率，有效减少吸附气体量，减少收集极等离子体的形成，进而提高束波能量转化效率。

[0023] 4、本发明的电子收集极的制备方法，采用熔融浸渍+高温烧结法在已加工好的石墨收集极坯体中原位生成碳化钛，不需要进行二次加工。通过工艺控制可以控制生成不同深度的碳化钛涂层，满足不同的电子收集极需求，而且制备工艺简单，成本低廉，可操作性强。

[0024] 5、进一步地，熔盐反应体系中，钛源为钛粉和六氟钛酸钾粉的混合物。钛源与石墨基体碳的反应原理为：熔盐中钛粉和六氟钛酸钾中的四价钛离子反应形成稳定性较差的二价钛离子或三价钛离子，二价钛离子或三价钛离子在石墨基体表面发生歧化反应生成活性单质Ti，活性单质Ti与C直接发生化合反应，生成TiC。

附图说明

[0025] 图1为本发明实施例1～3中步骤（2.1）的熔盐反应体系。

[0026] 图2为本发明实施例1所制备的电子收集极的宏观照片。

[0027] 图3为本发明实施例1所制备的电子收集极的表面SEM照片。

[0028] 图4为本发明实施例1所制备的电子收集极的截面SEM照片。

[0029] 图5为本发明实施例1所制备的电子收集极收集10次电子束流（激励电压约200kV，2
电子束流密度约1.4kA/cm，激励时间100ns）后的收集表面的SEM照片。

[0030] 图6为金属Ti制备的电子收集极收集10次电子束流（激励电压约200kV，电子束流密度约1.4kA/cm2，激励时间100ns）前后表面的SEM照片，其中，a图为收集前的SEM照片，b图为收集后的SEM照片。

[0031] 图7为金属Mo制备的电子收集极收集10次电子束流（激励电压约200kV，电子束流密度约1.4kA/cm2，激励时间100ns）前后表面的SEM照片，其中，a图为收集前的SEM照片，b图为收集后的SEM照片。

[0032] 图8为纯石墨制备的电子收集极收集10次电子束流（激励电压约200kV，电子束流2
密度约1.4kA/cm，激励时间100ns）前后表面的SEM照片，其中，a图为收集前的SEM照片，b图为收集后的SEM照片。

[0033] 图9为本发明实施例2所制备的电子收集极的表面SEM照片。

[0034] 图10为本发明实施例2所制备的电子收集极的截面SEM照片。

[0035] 图11为本发明实施例3所制备的电子收集极的截面SEM照片。

[0036] 图12为数值模拟的1MeV电子入射相同尺寸的石墨、金属Ti、金属Mo、碳化钛、实施例2和实施例3的电子收集极时的能量沉积曲线图。

[0037] 标号说明：1、进气管；2、出气管；3、提拉杆；4、测温电热偶；5、石墨坩埚；6、钛源和熔盐介质；7、石墨收集极坯体；8、不锈钢容器；9、循环水系统。

具体实施方式

[0038] 以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

[0039] 实施例1：

[0040] 一种本发明的电子收集极材料，包括石墨基体，还包括相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC，该TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，该TiC填充于石墨基体表面和内部的孔隙中。

[0041] 本实施例中，该TiC从石墨基体表面到石墨基体内部存在成分递减梯度，深度约为120μm。

[0042] 一种本发明的电子收集极的制备方法，包括以下步骤：

[0043] （1）制备石墨收集极坯体：

[0044] 以石墨为原材料，根据收集极尺寸要求，将石墨块体通过常规机械加工的方法加工成平板状的石墨收集极坯体7；

[0045] （2）制备收集极预制体：

[0046] （2.1）以摩尔比为3∶1的钛（Ti）粉和六氟钛酸钾（K2TiF6）粉为钛源，以摩尔比为1∶1的氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）为熔盐介质，如图1所示，将钛源与熔盐介质均匀混合后装入一石墨坩埚5中，将该装料的石墨坩埚5置于一不锈钢密闭容器8的底部，该不锈钢密闭容器8带进气管1、出气管2和测温热电偶4，上端靠近密封处外接循环水系统9。其中，进气管1与气氛控制系统相连，并与出气管2一起，保证不锈钢密闭容器8内处于惰性气氛保护下；循环水系统9可以保证不锈钢密闭容器8的上端密封处保持较低温度，避免密封圈快速老化失效。将步骤（1）制备的平板状的石墨收集极坯体7固定于一提拉杆3的下端（固定方式可采用螺纹连接或其他方式）后沿竖直方向布置在不锈钢密闭容器8中，此时石墨收集极坯体7悬置于钛源和熔盐介质6的正上方；

[0047] （2.2）通过与进气管1相连的气氛控制系统将不锈钢密闭容器8内先抽真空至气压约20Pa，然后通入氩气，再抽真空至不锈钢密闭容器8内气压约20Pa，然后再通入氩气，如此反复操作三次，以尽量降低反应容器内氧含量且使容器内部处于惰性气氛保护下；

[0048] （2.3）将内部处于惰性气氛保护的不锈钢密闭容器8置于一井式炉中，并将井式炉以5℃/min的升温速率加热至内部熔盐介质6达到900℃，使熔盐介质6呈熔融状态，得到钛源和熔盐介质6的熔融混合物。待熔融混合物温度恒定后，通过提拉杆3的竖直向下运行将石墨收集极坯体7浸没到熔融混合物中进行反应3h后，再通过提拉杆3的竖直向上运行将反应完毕的石墨收集极坯体7恢复悬置，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的收集极预制体。

[0049] （3）制备电子收集极：

[0050] 将碳化钛-石墨复合收集极预制体置于一高温烧结炉中，以10℃/min的升温速率加热至2200℃，保温2h时间后，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的电子收集极。

[0051] 本实施例所制备的碳化钛-石墨复合的电子收集极的宏观照片如图2所示，其表面SEM照片如图3所示，由图可知，碳化钛仅均匀分布于石墨收集极坯体表面的孔隙中，并未覆盖其整个表面（图中白色部分为碳化钛，黑色部分为石墨）。其截面SEM照片如图4所示，由图可知，TiC相对石墨基体表面渗入石墨基体内部，且存在成分递减梯度，深度约120μm。

[0052] 将本实施例所制备的碳化钛-石墨复合的电子收集极与环形石墨阴极组成强流二极管。当在二极管上施加200kV、100ns的激励电压时，作用于电子收集级上的电子束密度约为1.4kA/cm2。图5所示为本实施例所制备的碳化钛-石墨电子收集极在经过10次相同的电子束辐照后的表面显微形貌，与图3相比可以看出电子束辐照前后的电子收集极表面显微形貌无明显差异。相比之下，同等实验条件下，Ti收集极、Mo收集极和石墨收集极的表面显微形貌变化有所不同。图6为Ti收集极电子束辐照前后对比照，图7为Mo收集极电子束辐照前后对比照，可见Ti收集极和Mo收集极的表面分别出现了明显熔化迹象。图8为石墨收集极电子束辐照前后对比照，可见石墨收集极表面虽未出现熔化，但石墨表面出现“掉粉”现象，说明强流电子束轰击下，石墨表面结合力较差的颗粒容易脱落。由此可见，本发明的碳化钛-石墨复合的电子收集极比Ti、Mo等金属收集极具有更好的耐电子轰击性能，比石墨收集极用起来更清洁。

[0053] 实施例2：

[0054] 一种本发明的电子收集极材料，包括石墨基体，相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC以及覆盖于石墨基体表面的TiC涂层，渗入石墨基体内部的TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，TiC涂层为单质Ti与石墨基体表面的碳原位反应形成。覆盖于石墨基体表面的TiC涂层的厚度为10μm～15μm，从石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC存在含量递减梯度，深度约为400μ～430μm，并填充于石墨基体内部的孔隙中。

[0055] 一种本发明的电子收集极的制备方法，包括以下步骤：

[0056] （1）制备石墨收集极坯体：

[0057] 以石墨为原材料，根据收集极尺寸要求，将石墨块体通过常规机械加工的方法加工成平板状的石墨收集极坯体7；

[0058] （2）制备收集极预制体：

[0059] （2.1）以摩尔比为3∶1的钛（Ti）粉和六氟钛酸钾（K2TiF6）粉为钛源，以摩尔比为1∶1的氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）为熔盐介质，如图1所示，将钛源与熔盐介质均匀混合后装入一石墨坩埚5中，将该装料的石墨坩埚5置于一不锈钢密闭容器8的底部，该不锈钢密闭容器8带进气管1、出气管2和测温热电偶4，上端靠近密封处外接循环水系统9。将步骤（1）制备的平板状的石墨收集极坯体7固定于一提拉杆3的下端（固定方式可采用螺纹连接或其他方式），再将该带石墨收集极坯体7的提拉杆3沿竖直方向布置在不锈钢密闭容器8中，石墨收集极坯体7悬置于钛源和熔盐介质6的正上方；

[0060] （2.2）通过与进气管1相连的气氛控制系统将不锈钢密闭容器8内先抽真空至气压约20Pa，然后通入氩气，再抽真空至不锈钢密闭容器8内气压约20Pa，然后再通入氩气，如此反复操作三次，以尽量降低反应容器内氧含量且使容器内部处于惰性气氛保护下；

[0061] （2.3）将内部处于惰性气氛保护的不锈钢密闭容器8置于一井式炉中，并将井式炉以5℃/min的升温速率加热至内部熔盐介质6达到950℃，使熔盐介质6呈熔融状态，得到钛源和熔盐介质6的熔融混合物。待熔融混合物温度恒定后，通过提拉杆3的竖直向下运行将石墨收集极坯体7浸没到熔融混合物中进行反应3h后，再通过提拉杆3的竖直向上运行将反应完毕的石墨收集极坯体7恢复悬置，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的收集极预制体。

[0062] （3）制备电子收集极：

[0063] 将碳化钛-石墨复合收集极预制体置于一高温烧结炉中，以10℃/min的升温速率加热至2200℃，保温2h时间后，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的电子收集极。

[0064] 本实施例所制备的碳化钛-石墨复合的电子收集极的表面SEM照片如图9所示，由图可知，碳化钛均匀覆盖在石墨收集极坯体的整个表面。其截面SEM照片如图10所示，由图可知，TiC除覆盖于石墨基体表面外，还相对石墨基体表面渗入石墨基体内部，并存在含量递减梯度，深度约400μm～430μm，TiC涂层的厚度为10μm～15μm。

[0065] 实施例3：

[0066] 一种本发明的电子收集极材料，包括石墨基体，相对石墨基体表面渗入石墨基体内部的TiC以及覆盖于石墨基体表面的TiC涂层，渗入石墨基体内部的TiC为单质Ti与石墨基体中的碳原位反应形成，TiC涂层为单质Ti与石墨基体表面的碳原位反应形成。覆盖于石墨基体表面的TiC涂层的厚度为28μm～30μm，从石墨基体表面渗入到石墨基体内部的TiC存在含量递减梯度，深度为415μm～430μm，并填充于石墨基体表面和内部的孔隙中。

[0067] 一种本发明的电子收集极的制备方法，包括以下步骤：

[0068] （1）制备石墨收集极坯体：

[0069] 以石墨为原材料，根据收集极尺寸要求，将石墨块体通过常规机械加工的方法加工成平板状的石墨收集极坯体7；

[0070] （2）制备收集极预制体：

[0071] （2.1）以摩尔比为3∶1的钛（Ti）粉和六氟钛酸钾（K2TiF6）粉为钛源，以摩尔比为1∶1的氯化钠（NaCl）和氯化钾（KCl）为熔盐介质，如图1所示，将钛源与熔盐介质均匀混合后装入一石墨坩埚5中，将该装料的石墨坩埚5置于一不锈钢密闭容器8的底部，该不锈钢密闭容器8带进气管1、出气管2和测温热电偶4，上端靠近密封处外接循环水系统9。将步骤（1）制备的平板状的石墨收集极坯体7固定于一提拉杆3的下端（固定方式可采用螺纹连接或其他方式），再将该带石墨收集极坯体7的提拉杆3沿竖直方向布置在不锈钢密闭容器8中，石墨收集极坯体7悬置于钛源和熔盐介质6的正上方；

[0072] （2.2）通过与进气管1相连的气氛控制系统将不锈钢密闭容器8内先抽真空至气压约20Pa，然后通入氩气，再抽真空至不锈钢密闭容器8内气压约20Pa，然后再通入氩气，如此反复操作三次，以尽量降低反应容器内氧含量且使反应过程处于惰性气氛保护下；

[0073] （2.3）将内部处于惰性气氛保护的不锈钢密闭容器8置于一井式炉中，并将井式炉以5℃/min的升温速率加热至内部熔盐介质6达到1000℃，使熔盐介质6呈熔融状态，得到钛源和熔盐介质6的熔融混合物。待熔融混合物温度恒定后，通过提拉杆3的竖直向下运行将石墨收集极坯体7浸没到熔融混合物中进行反应3h后，再通过提拉杆3的竖直向上运行将反应完毕的石墨收集极坯体7恢复悬置，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的收集极预制体。

[0074] （3）制备电子收集极：

[0075] 将碳化钛-石墨复合收集极预制体置于一高温烧结炉中，以10℃/min的升温速率加热至2200℃，保温2h时间后，随炉自然冷却至室温，得到碳化钛-石墨复合的电子收集极。

[0076] 本实施例所制备的碳化钛-石墨复合的电子收集极的截面SEM照片如图11所示，由图可知，TiC相对石墨基体表面渗入石墨基体内部，且存在成分递减梯度，深度约415 430μ~m，TiC涂层的厚度为28μm～30μm。

[0077] 图12列出了数值计算的1MeV能量电子入射相同尺寸的石墨收集极、金属Ti收集极、金属Mo收集极、碳化钛收集极、实施例2的电子收集极和实施例3的电子收集极的能量沉积曲线。由图可知，电子在碳化钛-石墨复合的电子收集极中的最大能量沉积值稍高于在纯石墨中的最大沉积能量值，但显著低于金属Ti、金属Mo和纯碳化钛收集极的最大沉积能量值；电子在实施例2和实施例3的碳化钛-石墨复合电子收集极中的最大沉积能量值位于TiC涂层中，且电子在石墨基体中的能量沉积规律与纯石墨收集极基本一致。因此，在石墨表面复合一层碳化钛得到碳化钛-石墨复合材料作为收集极，不仅保持了纯石墨材料的耐电子束轰击能力，还可以有效改善石墨表面多孔和易造成碳污染的不足。

[0078] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。