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。

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。

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。

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。