短磁聚焦脉冲展宽分幅相机是一种具有长漂移区的二维超快诊断设备。通常采用轴上和离轴的点空间分辨率对其近轴空间分辨能力和工作面积进行评估，但由于像场弯曲会引起高斯像面的空间分辨不均匀，因此难以评价相机的整体空间分辨能力，所以研究一种能量化空间分辨能力的方法具有重要意义。为探讨新方法，采用COMSOL软件建立模型，基于场曲特性重建三维成像曲面，采用标准差分析成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，通过融合点空间分辨率和整体调制度构建高斯像面空间分辨率，并运用相对误差量化高斯像面空间分辨均匀性。研究结果显示，在组合磁透镜的孔距为200 mm、漏磁缝隙为10 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区长度为400 mm、成像半径为21 mm、阴极为-3.75 kV的情况下，随着成像磁场变化，成像曲面与高斯像面之间的偏离程度，以及高斯像面空间分辨率均呈开口向上的抛物线形状，并在成像磁场为41.97 Gs（1 Gs=10^-4 T）时，两像面偏离程度标准差达到最小，为2.82 mm，高斯像面空间分辨率提升至最优，为292.80 μm，表征空间均匀性的调制度差值降低至最小，为330%。本文研究为评估短磁聚焦脉冲展宽分幅相机的最优空间分辨性能提供了一种可量化的参考方法。

脉冲展宽分幅相机是时间分辨率优于10 ps的二维超快诊断设备，但展宽脉冲沿阴极传输会引起阴极不同位置的电压分布出现差异，这会导致相机时间不均匀现象的产生，从而限制了大探测面相机的实现。采用雪崩三极管、雪崩二极管和高通滤波器设计了一种快斜率皮秒选通脉冲，基于电脉冲叠加原理，探讨了选通脉冲下降沿对时间不均匀性的提升效果。研究结果显示：当阴极电压为-2 kV、电子束初始时间宽度为5 ps和展宽斜率为11.9 V/ps时，随着展宽脉冲沿阴极起点传输到终点，阴极上的电子束展宽倍率由11.74增至39.04，基于相对误差原理，两者相差232.5%；当将选通脉冲下降沿和展宽脉冲同时加载至阴极时，电子束展宽倍率由11.28变化至14.23，两者相差下降至40.21%，此时脉冲展宽分幅相机的时间分辨均匀性得到了有效提升。

设计了短磁聚焦脉冲展宽分幅相机模型,以脉冲展宽原理和光电子运动方程为基础,研究了飞秒光电子在脉冲展宽系统中的加速、传输和成像特性,分析了时空弥散,探讨了降低时空弥散影响的方法。结果表明:当脉冲展宽系统长500 mm、展宽斜率为10 V·ps ^-1、加速电场为2 kV· mm ^-1时,传输时间弥散引起的总物理时间分辨率为1.62 ps,占相机时间分辨率的70%;空间弥散为62.87 μm,相机成像对比度降低了13.58%。提高加速电场能有效降低时空弥散对相机物理时间分辨率和成像对比度的影响。

模拟相机磁场分布和光电子运动轨迹,建立传输时间和距离的二维分布模型,分析磁聚焦时间弥散和畸变的成因及其降低方法。研究结果表明,时间弥散和畸变与物点(即阴极位置)沿轴磁场强度密切相关,并随物点离轴距离的增大而变大,通过适当提升轴对称磁场均匀性可降低磁聚焦时间弥散和畸变。当漏磁缝隙由4 mm扩宽至40 mm时,轴上与离轴30 mm物点的沿轴磁场强度峰值比由0.82提高到0.89,时间弥散由127 fs和435 fs分别减小至120.6 fs和378.4 fs,离轴30 mm物点的时间畸变率由4.61%下降至4.01%。

脉冲展宽技术能够有效提升分幅变像管的时间性能,但脉冲晃动引起的曝光时间抖动则使像管可靠性降低。为探讨曝光时间抖动的成因和改善方法,对曝光时间进行测试、误差分析和修正。通过对200幅动态图像进行分析,结果显示脉冲晃动和展宽斜率非一致性引起曝光时间的抖动范围为11~26 ps,根据展宽脉冲的特点和曝光时间的分布比例,采用加权均值法获得像管曝光时间评估值为~17.3 ps;采用展宽脉冲初始幅值修正同步电压,使曝光时间测量值与理论值之间的偏差从~9.8%降低到~1.7%,有效地提升了测量值的可信度。研究结果为像管曝光时间可靠性的提升提供了理论指导和技术支持。

为获取更多惯性约束聚变内爆运动信息和测量聚变燃烧阶段等离子体的时空特性, 以微通道板(MCP)选通分幅变像管为基础, 采用电子束时间展宽技术和组合透镜成像技术, 研制了曝光时间优于30 ps的分幅变像管, 并通过变像管结构、工作原理和实验测试分析了2类像管性能差异的原因。研究结果显示, MCP选通分幅变像管具有良好的空间分辨性能, 而采用新技术的变像管则具有更优秀的时间分辨性能, 实验测试获得MCP选通分幅变像管的曝光时间和空间分辨率分别为97 ps和~53 μm(调制度为4%), 而采用新技术的分幅变像管分别为和21 ps和~74 μm(调制度为3%)。高时间分辨分幅成像技术的应用可为惯性约束聚变的研究提供更多的可信数据。

X射线分幅相机是惯性约束聚变实验中的重要二维超快诊断设备，具有长漂移区结构的时间展宽分幅相机，在大幅度提升时间分辨性能的同时，会使空间电荷效应时空弥散变大。为探讨空间电荷效应的影响，以短磁聚焦分幅变像管为例，通过平均场模型和电子轨迹及成像分布研究空间电荷效应的时空弥散，并分析其对像管的影响。研究和分析结果表明，空间电荷效应引起的时间弥散与阴极电压、展宽脉冲斜率和漂移距离有关，空间弥散与成像系统和电子脉冲电流密度相关。当分幅变像管的时间分辨率提升至2 ps左右时，空间电荷效应的时间弥散相当于物理时间分辨，成为制约时间分辨性能进一步提升的主要因素，此时像管空间分辨性能降低8 %左右。通过对像管空间电荷效应研究及其降低方法的探讨，为亚皮秒时间分辨分幅变像管的研制提供理论参考。

分幅变像管是惯性约束聚变诊断实验中重要的二维空间分辨诊断设备。为研究短磁聚焦时间展宽分幅变像管的成像性能, 通过计算像管中电子运动轨迹和成像分布来模拟空间分辨率和成像面, 并采用像差理论展开分析。结果表明, 短磁聚焦成像系统的球差和场曲是造成像管空间分辨性能下降的主要因素, 单/双透镜像管球差系数分别为0.229和0.07, 场曲分别为0.021和0.009。球差系数和场曲越小, 像管的成像性能越好。