分别采用单、双透镜系统研制短磁聚焦变像管,并利用Lorentz 3D-EM软件模拟电子运动成像,研究其成像畸变。当成像比例为1∶1、阴极电压为-3 kV时,模拟得到单、双透镜系统的空间分辨率分别为17.07 lp/mm和24.49 lp/mm;在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为1.43%和0.98%;在离轴为12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为7.5%和2.5%。实验结果表明:在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为2.4%和0.9%;在离轴12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为8.5%和3.2%。研究表明,采用双磁透镜成像系统有助于改善成像畸变,提高空间分辨率。

研究了基于微通道板(MCP)选通技术的电子飞行时间(TOF)测量系统。调节MCP选通脉冲延时,使得电子和选通脉冲同时到达MCP,从而产生动态图像。利用高速示波器获得电子在50 cm漂移区的TOF。当阴极电压为-3.5 kV时,测得电子从阴极到MCP的TOF约为15 ns。改变阴极电压,获得了TOF与电子能量之间的关系。结果表明,随着电子能量的增大,TOF不断减小。该TOF测量系统的时间分辨率为88 ps。

研制了三通道微通道板(MCP)门控X射线分幅相机,其MCP微带阴极宽度为8 mm,相邻两阴极间隔为2.8 mm,由幅值为-1.9 kV和宽度为210 ps的门控脉冲进行驱动。采用光纤传光束法测量了相机的触发晃动。实验结果表明,相机的触发晃动约为94 ps,与高速示波器测得的90 ps基本一致。此外,测得相机的时间分辨率约为100 ps。

研制了一款新型磁聚焦成像电子束时间展宽分幅相机，研究了其空间分辨率与磁聚焦透镜数目及电流间的关系，实验结果表明：采用三个磁聚焦透镜且电流适合时，相机的空间分辨率最高；离轴越远，空间分辨率越低。研究了相机的空间分辨率与电压间的关系，发现空间分辨率随着阴栅极间电压的增大而提高。该新型分幅相机成像面为一个曲面，整个阴极面不能同时清晰成像。采用电子束时间展宽技术后，该新型分幅相机的时间分辨率提高至11 ps；当成像倍率为2∶1时，相机的静态空间分辨率为5 lp·mm-1。

研制大面积阴极磁聚焦分幅变像管。在2∶1电子光学倍率下, 研究单磁透镜和双磁透镜成像的像场弯曲。基于光学透镜成像原理, 假设成像面形状不随激励微调而改变, 推导了离轴点最佳成像位置与激励变化的近似关系式, 并由此提出一种测量并减小像管像场弯曲的方法; 借助Matlab编程模拟了像管各离轴点的最佳成像位置, 拟合得到成像曲面方程, 并利用所提出的像场弯曲测量方法进行了测试验证。结果表明, 在一定视场范围内, 计算机模拟与实验测试结果比较接近。单、双磁透镜下的最佳成像面均为旋转抛物面, 但双磁透镜成像像场弯曲比单磁透镜有明显的改善。

基于时间展宽技术, 设计研制了大面积阴极分幅变像管。 借助Matlab编程分别对单磁透镜和双磁透镜像管在离轴空间分辨率和像场畸变等方面特征作了数值模拟, 并采用阴极微带光刻分辨率板进行测试验证。 实验测试显示, 在缩小一倍成像下, 双透镜像管在离轴9 mm以内的空间分辨率优于5 lp/mm。 相比单透镜像管, 双透镜像管具有更高的空间分辨率, 更大的有效成像范围以及更小的成像畸变。 因而, 采用双透镜成像能够有效地提高像管的空间分辨能力, 可为分幅相机性能的进一步提升提供新的思路。

设计了一种大探测面积磁透镜分幅变像管。通过理论分析和模拟仿真的方法对单透镜和三透镜两种结构的分幅变像管在不同离轴位置的空间分辨率特性进行了研究，并通过实验进行验证。在仿真计算中，当成像缩小倍率为21时，单透镜结构仅能在10 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率，而三透镜结构能够在30 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率。在实验测试中，单透镜结构仅能在12 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率，而三透镜结构则能在27 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率。实验结果表明，采用三透镜结构设计的分幅变像管，其有效探测面积比单透镜结构大4倍以上。

研制了基于电子束时间展宽技术和微通道板(microchannel plate, MCP)选通技术的时间展宽分幅相机。相机有三条厚度80 nm、宽度8 mm的微带阴极, 阴极上加载斜率为2.1 V/ps的高压斜坡脉冲, 使得先发射的电子较后面的电子速度快, 经过50 cm的漂移区后, 电子束产生时间展宽, 从而提高相机时间分辨率。阴极和MCP均加载了脉冲电压, 因此, 需要精确同步光脉冲、阴极脉冲和MCP选通脉冲, 分析了完整的同步过程。当阴极仅加直流电压, 无电子束时间展宽时, 获得相机的时间分辨率为78 ps。当阴极加载高压斜坡脉冲时, 电子束时间展宽技术将系统的时间分辨率提高至12 ps。改变延时, 将光脉冲分别同步在斜坡脉冲不同位置, 获得了时间分辨率与同步位置的关系。

采用双磁透镜设计时间展宽分幅变像管，对其空间分辨特性进行模拟和测试。采用2#分辨率板测试像管空间分辨率，以及大面积阴极测试像管在离轴位置的空间分辨能力。测试结果表明，双磁透镜像管的空间分辨率为74 μm；在图像缩小1 倍时，能有效分辨阴极距离中心轴位置30 mm 的信息。像管的空间分辨率和在阴极离轴位置的分辨能力都优于单磁透镜像管。因此，双磁透镜能有效提高时间展宽分幅变像管的空间分辨特性。

采用经典公式、平均场理论和脉冲展宽模型研究时间展宽分幅管的物理和技术时间分辨率。分析电子初能、阴极偏置、阴极脉冲斜率和漂移距离等参数对时间分辨率的影响。讨论时间分辨处于皮秒级和亚皮秒级时物理和技术时间分辨所起的作用,并探讨实现亚皮秒级时间分辨的可能性。研究结果表明：物理和技术时间分辨相互制约，当像管时间分辨处于5 ps量级时，技术时间分辨决定像管时间分辨；当像管时间分辨提升到亚皮秒量级时，物理和技术时间分辨处于同量级，像管时间分辨由两者共同决定。