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。

基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备，空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应，基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型，将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示，由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著，当轴上磁场强度为4.585×10^-3 T时，随着离轴位置增加至15 mm，磁场强度提高到4.763×10^-3 T；由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大，因此在降低电子密度的同时，使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs，空间弥散由668 μm减小至22 μm；当轴上磁场强度由4.585×10^-3 T降低至3.359×10^-3 T时，与最优空间分辨性能相似，空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10^-3~3.5×10^-3 T区域内达到最小，此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs，空间弥散范围为3.1~15.4 μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。

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。

磁聚焦脉冲展宽分幅变像管是时间分辨率优于10 ps的超快诊断设备，其空间分辨率与成像磁场密切相关。为讨论该问题，建立了脉冲展宽分幅变像管模型，在不同半径发射区域成像磁场下，采用瑞利判据对点成像分布计算空间分辨率，并基于轴上最优和物点间差异最小原则，分析最优成像磁场。研究结果表明，在单磁透镜脉冲展宽分幅变像管中，整体空间分辨率不随磁场增大或减小而变好，而是存在一个特定发射区域对应的成像磁场，使其达到最优。当透镜孔径为160 mm、漏磁缝隙为4 mm、轴向宽度为100 mm、漂移区为500 mm和电子发射能量为3 keV时，8 mm半径区域的成像磁场为最优，其轴上最大磁场为37.87×10^-4 T。在微通道板空间分辨率为55 μm和缩小1倍成像的情况下，物面0、5、10、15 mm位置的空间分辨率分别为29.86、43.08、87.07、276.88 μm，模拟计算结果与已测数据基本吻合。研究结论为建立成像磁场和整体空间分辨率之间的联系及最优化空间分辨率的模拟计算提供了一种具有参考性的方法。

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。

分别采用单、双透镜系统研制短磁聚焦变像管,并利用Lorentz 3D-EM软件模拟电子运动成像,研究其成像畸变。当成像比例为1∶1、阴极电压为-3 kV时,模拟得到单、双透镜系统的空间分辨率分别为17.07 lp/mm和24.49 lp/mm;在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为1.43%和0.98%;在离轴为12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为7.5%和2.5%。实验结果表明:在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为2.4%和0.9%;在离轴12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为8.5%和3.2%。研究表明,采用双磁透镜成像系统有助于改善成像畸变,提高空间分辨率。