实现目标实时动态追踪与识别是条纹管激光成像雷达中亟待解决的问题,针对条纹管激光成像雷达峰值探测三维重构算法运算时间长的问题,提出一种抽样插值目标三维重构算法,以一定的抽样率对条纹图像等间隔抽样并插值运算,再进行峰值特征提取运算。当抽样率为4%时,对于探测距离为706 m的目标,抽样双线性插值重构法的运算速度比原重构法提高了2.3倍,三维重构矩阵的相关系数约为0.99;抽样最近邻插值重构法的运算速度比原重构法提高了3.5倍,三维重构矩阵的相关系数约为0.98。实验结果表明所提算法可以提高目标三维重构速度,并且目标条纹图像帧幅数越多,目标三维重构速度改善效果越好。

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。

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。

条纹空间分辨率从中心到边缘逐渐降低, 为了改善条纹管像面的边缘空间分辨率, 构造了一个基于压缩感知的条纹相机成像重构模型.压缩感知目标函数采用正交匹配法实现, 并对重构参数进行了优化.原成像结果与重构结果对比表明：压缩感知重构图的对比度比原图提高了5%, 极限分辨率比原图提高了2 lp/mm, 并且离轴远区的改善效果好于中心区的改善效果.压缩感知重构方法可以改善像面边缘的成像对比度从而提高条纹相机成像的静态空间分辨率.

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。

在活体细胞内研究其亚细胞结构以及细胞器和分子之间或不同分子之间的相互作用过程是目前生命科学研究的主要挑战，而发展一种能够实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术对于研究生命过程中的分子机制具有重要意义。设计并搭建了基于变形光栅和双螺旋点扩展函数的显微成像系统，实现了在三维空间内扩展景深和纳米定位功能，极大地扩展了成像深度。通过模拟分析，该系统在高定位精度下可实现12 μm厚样品的动态探测，并实现了完整活细胞中动态粒子的实时定位和追踪。

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。

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。