与传统相衬成像方法相比,基于傅里叶变换的X射线单光栅相衬成像技术具有辐射剂量低、成像速度快等优势,在材料、医疗等领域具有广阔的应用前景。物体频谱信息的获取是利用该技术恢复相位的关键步骤,但其提取过程容易受到莫尔伪影的影响而导致成像质量下降,限制了该方法的发展应用。针对上述问题,基于莫尔伪影的理论分析和成像系统的结构特征,提出了旋转光栅和调节光栅投影频率两种方案来消除伪影,并在实验上成功验证了它们的可行性,为X射线单光栅相衬成像的推广应用提供了参考。

为了满足惯性约束聚变(ICF)实验对X射线条纹相机提出的新技术要求,设计并研制了一种大物面X射线条纹变像管,利用球面荧光屏减轻场曲的影响,并通过提高阳极总压、增大偏转灵敏度来提高时间分辨率。测试结果表明:阴极有效长度可达40 mm,静态空间分辨率信息分辨总量可达1000 lp,动态空间分辨率为20 lp/mm,时间分辨率达3.3 ps,动态范围可达2281∶1,能满足ICF实验所提出的大信息捕捉量的要求。

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。

针对传统X射线快门选通微通道板(MCP)分幅相机利用针孔阵列获取目标图像时视角不一致的问题, 提出一种单一视角X射线变像管分幅方法。利用电子束团在电子光学交叉点所携带信息的全息性和可分割性, 设计了一种单一视角多幅输出图像的静电聚焦变像管, 输出端配接MCP分幅单元以实现图像选通和增强功能。与传统门控MCP分幅管相比, 其既能实现图像视角的同一性, 又可以避免直穿光激发荧光屏对输出图像的影响, 具有更高的信噪比。所设计的分幅变像管阴极有效工作直径为40 mm, 输出荧光屏直径为40 mm, 放大倍率为1.29, 中心理论空间分辨率达到60 lp/mm, 边缘空间分辨率达到26 lp/mm, 分幅曝光时间特性由快门选通MCP分幅单元的选通脉宽决定。该方法为实现X射线分幅相机视角同一性给出了一条有效途径。

为了满足飞秒变像管扫描相机对偏转器的特殊要求，设计了一种应用于高速扫描相机的行波偏转器。根据Finch的行波偏转器设计理论，简化设计流程并利用HFSS软件建立偏转器模型，模拟并求解了行波偏转器的高频信号传播特性和通频带宽，通过电磁波相速度与电子束飞行速度的匹配确定了行波偏转器基本结构参数，并优化设计了一种适合应用于具有10 kV电子能量高速扫描相机的行波偏转器。所设计行波偏转器长度为44 mm，板间距为4 mm，通频带宽为4 GHz，偏转灵敏度为119.8 mm/kV。结合现有的高速扫描相机对此行波偏转器进行了测试实验，测试结果表明，设计结果准确可靠，设计方法得当。该研究为变像管扫描相机的行波偏转器设计提供了有效途径，缩短了高时间分辨扫描相机的研发周期。

为了得到X射线条纹相机中CsI光阴极的高能电子份额数据, 通过蒙特卡罗方法建立模型来研究CsI光阴极在X射线照射下的光电发射特性。研究了CsI光阴极厚度为100~1000nm、入射X射线能量为1~30keV时的二次电子(SE)能量分布。模拟结果显示, 入射X射线的能量越高、CsI光阴极的厚度越大, 从CsI光阴极出射的二次电子中高能电子(大于50eV)的份额越高, 在入射X射线能量为30keV、CsI光阴极厚度为1000nm时, 出射电子中的高能电子份额可以达到10.8%。但是当CsI光阴极厚度保持为100nm、而入射X射线能量大于15keV时, 高能电子份额维持在3.4%左右而不再随入射X射线的能量增加而增加。

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。

为提高飞秒条纹相机的性能，设计了一种新型加速结构的条纹相机，它具有加速栅网和加速狭缝通道，平行平板电极结构。考虑实际惯性约束核聚变(ICF)实验中X 射线入射CsI光阴极，光电子能量弥散较大和空间电荷效应作用下，用蒙特卡罗方法抽样2000个光电子能量角度分布值，用四阶龙格-库塔法计算了电子在条纹相机中的飞行轨迹。在成像面上统计电子时空分布得到该条纹相机的时间和空间分辨特性，结果显示使用该加速结构的飞秒条纹相机空间分辨率达到21l lp/mm,时间分辨率达到508.4 fs，对比传统平行平板相机，分别提高了90%和29%左右，性能提高明显。该新型条纹相机加速结构简单，具有实用性。