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。

研制了一套X射线条纹相机光电阴极检测系统, 用于激光惯性约束聚变中阴极的快速标定和检测。通过三位一体的条纹变像管设计, 条纹变像管电子光学系统的优化, 真空室、控制系统的制备, 系统的装调、集成和测试, 研制了光电阴极检测系统。组建了阴极系统静态测试平台, 标定了其静态特性, 测试结果显示: 3条条纹像中心的偏移率在狭缝方向为2.8%, 在垂直于狭缝方向为6.6%, 平均放大倍率1.29, 误差在0.8%, 边缘空间分辨率大于10 lp/mm。该系统可以满足激光聚变诊断研究对于X射线条纹相机光电阴极的检测需求。

为了满足激光驱动惯性约束聚变(ICF)的诊断需求,研制了一台大动态范围高时空性能X射线条纹相机系统;通过优化电子光学设计、改进条纹变像管的制作工艺,以及制作和使用高效器件来达到提高条纹相机动态范围以及时间和空间性能的目的;设计相机的阴极工作长度为30 mm,聚焦电压为12 kV;借助飞秒和皮秒激光器组建相机的静态和动态标定测试系统。结果表明:该相机系统的空间分辨率大于20 lp/mm,时间分辨率达到5 ps,动态范围达到2237∶1,扫描速度非线性小于3%;相机具有4个挡位,可以实现4个扫描速度下的超快信号获取;该相机性能优良,可以满足激光聚变研究中时间、空间、能谱分辨的精密化诊断要求。

栅网是条纹相机等电子光学仪器的重要组成部件。通过使用有限差分法对栅网的丝径、网孔进行精细建模, 分析了栅网对均匀电场的扰动以及对电子运动的子透镜效应; 使用电子碰撞自由程Gryzinski理论研究了电子和栅网碰撞的二次电子发射问题。结果发现, 对于条纹相机中常用的10, 33, 50 line/mm栅网, 其结构参数的不连续性对均匀电场的扰动分别为0.31%、0.07%、0.04%; 对于入射能量为15 keV的电子, 栅网金属原子Ni、Cr和Cu的非弹性散射碰撞自由程分别为6.85, 10.34, 7.25 nm, 碰撞很难产生二次电子发射。研究结果对电子光学仪器的设计和栅网参数的优化具有参考意义。

为改善大偏转角度的偏转像质，设计了一种高时间分辨、大扫描长度的扫描变像管电子光学和行波偏转系统。对变像管后加速技术进行了实验研究，结合图像外增强技术，解决了大面积扫描图像的探测灵敏度问题，达到了同时扩展扫描变像管的时间量程和提高时间分辨力的目的，研制出了宽时间量程、高时间分辨力的扫描变像管。初步实验表明，在量程为5 ns时，时间分辨力达到5 ps，也就是时间分辨力与时间量程之比达到1/1 000。

优化设计和研制了一种旨在获得大的动态范围的皮秒时间分辨软X射线扫描相机系统.该相机阴极有效面积Φ30 mm，聚焦电压8 kV，有效防止了打火对动态范围的影响；摒弃了微通道板内增强器，引入了后加速系统，以保证足够高的荧光屏量子效率；采用了大动态范围的像增强器进行图像外增强.借助于皮秒激光器动态测试和标定系统对其性能进行了实验评价，获得了动态范围大于2 000的结果.

提出并设计了一种旨在获得大动态范围的软X射线扫描变像管.该管型在保证大的阴极有效使用面积的情况下，通过减小电子的渡越时间来减小空间电荷效应对扫描变像管性能的影响，从而改善扫描变像管的动态范围.借助于YAG皮秒激光器对其性能进行了实验评价，获得了时间分辨率优于31 ps和动态范围大于922的结果.

对微通道板的动态特性进行了数值模拟,得到了电子的渡越时间与入射时刻的关系曲线。获得了光电子的倍增次数随入射时刻而变化,并在考虑了入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,分析了选通脉冲的幅度、宽度和波形对选通特性的影响。结果表明:随着倍增次数增多,渡越时间越大;当电压幅度不同时,增益曲线的峰值所对应的电子入射时刻也不同。

对皮秒高压脉冲驱动下微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性进行了数值模拟，在电压脉冲波形分别为高斯形、三角形和梯形时，得到了电子渡越时间与电压脉冲宽度、幅度的关系曲线。在考虑入射电子为一高斯电子脉冲的情况下，获得了增益曲线的半峰全宽和峰值随脉冲电压幅度、宽度的变化规律。分析结果表明：当微通道板两端所加电压为梯形波时，微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性较加三角波和高斯波要好。

设计并研制了一种新的微通道板选通X射线纳秒分幅相机,相机系统由带有行波选通微带光电阴极的近贴聚焦分幅变像管、电控单元、针孔安装和调节系统及真空系统组成。电控单元提供相机工作需要的直流电压和脉冲开关电压。输出图像由采用光纤面板耦合到荧光屏的CCD相机读出。采用厚50 nm的Au作为变像管光电阴极,相机谱响应范围0.1～10 keV。可获得八幅分幅图像,每幅曝光时间1 ns,2 ns和5.0 ns三档可调,像幅时间间隔分2 ns、5 ns和10 ns三档可调。相机动态空间分辨力优于18 lp/mm,触发晃动小于100 ps,时间抖动小于5%。并可实现远距离监视、控制和数据采集。对相机静态特性和动态特性的实验标定及应用现场所获得的实验结果均表明,相机工作性能稳定,具有几何畸变小、动态范围大等特点,满足Z-箍缩实验研究的需要。