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%。

光电阴极发射光电子的时间特性影响条纹相机和电子衍射系统等时间分析仪器的时间分辨率。 使用蒙特卡罗方法研究了光电子的能量、角度分布模型的随机抽样方法,对能量的余弦、Maxwell分布给 出了快速的乘抽样方法。计算了光电子的余弦、Maxwell、Beta、Rayleigh、Henke分布等7种能量模型的 时间弥散值。验证了时间弥散计算公式的弥散系数为2.643 kg1/2·A_1·s_1, 其与加速电场场强的指数关系为-0.996。该方法和结果在飞秒光电子传播动力 学、飞秒条纹相机、飞秒电子衍射仪等领域有广泛应用。

在辐射成像系统测量辐射源边界中, 有闪烁体时间弥散效应得到的边界值与没有闪烁体时的真实边界值存在差别, 影响辐射源尺寸变化计算。研究构建了一类辐射源强时间宽度、半径扩散速率与边界相对强度不同的辐射源, 应用卷积和图像强度梯度法, 对选用BC408, LaBr3和LSO闪烁体得到的边界与真实边界的偏差进行了数值模拟计算。结果表明, 拍摄时间为20 ns时, 由BC408闪烁体得到的边界值偏差最小; 若偏差小于1 mm认为闪烁体适合测量, BC408, LaBr3和LSO测量的强度时间宽度最小值分别为33 ns, 133 ns和266 ns; 拍摄全积分图像时偏差大小不受闪烁体不同的影响; 最终得出的偏差计算公式较好地反映了真实偏差的变化趋势。

为了得到CsI光阴极在紫外波段的时间弥散特性, 使用蒙特卡罗方法对CsI光阴极在紫外光入射情况下的光电发射进行模拟, 研究了当阴极厚度为5~45nm、入射紫外光能量为6.8~8.4eV时CsI光阴极出射电子的时间分布。得到了CsI光阴极的时间弥散与紫外光能量和CsI光阴极厚度的关系, 发现当CsI光阴极厚度小于30nm的时候, 光阴极的时间弥散随紫外光的能量增加而减小, 随光阴极厚度的增加而增加。当CsI光阴极厚度大于30nm的时候, 光阴极的时间弥散趋于稳定, 与紫外光的能量和光阴极的关系较小。

在CST Particle Studio环境下建立了长径比为40的铅玻璃MCP的三维结构，将有限积分法与蒙特卡罗方法相结合，模拟了直流和高斯脉冲偏置下微通道内二次电子倍增过程，得到了通道轴向二次电子云密度的动态分布曲线。结果显示，二次电子云在通道轴向成高斯分布；在直流偏置下电子云在漂移过程中密度逐渐增大，分布逐渐变得集中，当电子云漂移至靠近输出电极位置时密度达到最大；在高斯偏置下，脉宽对电子倍增过程有决定性影响，当脉宽大于二次电子平均渡越时间时，倍增过程与直流偏置相似。

基于塑料闪烁体和条纹相机设计了聚变反应速率测量系统，论述了测量光学系统的工作原理和设计方法。通过设置防辐射石英玻璃窗，防止了光学元件受强X射线辐射而变暗；采用晶体等紫外透过率高的光学材料，满足了光学系统对透过率的要求；光学系统像面与条纹相机的阴极面直接对接，解决了条纹相机孔径不匹配的问题；最后在一次像面设置场镜，大幅缩小了光学元件的口径。设计的光学系统总长为2 660 mm，放大倍率为1/3，像方F/#数达到0.667，系统透过率达到67％，时间弥散小于7.3 ps。这些结果能够适应不同中子产额的实验需求，在激光打靶实验中取得了较好的实验效果。