X射线条纹相机是激光惯性约束聚变研究中的核心测量设备，用于捕获聚变反应中瞬态X射线发射。对X射线条纹相机在聚变反应中强电磁辐射下的可靠性进行研究，给出了X射线条纹相机的可靠性框图及结构，并对X射线条纹相机各功能单元进行可靠性分配，针对其故障进行了故障模式和影响分析(FMEA)。可靠性分析和FMEA显示，X射线条纹相机中变像管单元其可靠性分配值在各个分系统单元中最高，其故障能够引起严重故障和试验损失，是制约X射线条纹相机可靠性和稳定性的重要部件。通过对X射线条纹相机内各单元的可靠性以及故障模式分析，有助于研究人员开展有针对性的电磁辐射加固，提升相机在强电磁脉冲辐射环境中运行的可靠性。

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。

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。

为了提升X射线条纹相机阴极性能,提出了一种X射线条纹相机阴极的制作方法,采用此方法制作的阴极衬底薄膜使用聚碳酸酯作为原材料,厚度仅为300 nm,可较大程度降低对X射线的C吸收边效应,对提升阴极性能具有较大益处.利用北京同步辐射光源(BSRF)对制作的Au阴极和CsI阴极进行了绝对标定,给出了两种阴极在60~5500 eV能区范围内的绝对谱响应灵敏度,标定结果表明CsI阴极在60~5500 eV整个能区范围内都具有较高的谱响应灵敏度,即使在C吸收边位置谱响应灵敏度也只降低了约90%,表明阴极性能得到较大提升.

为实现惯性约束聚变(ICF)实验中同时获取靶点的X射线1维动态和2维静态积分图像, 提出了一种全新的X射线图像采集方法。结合成像板与X射线条纹相机的工作特性, 通过在阴极狭缝前精密耦合成像板, 实现X射线图像到达狭缝的同时采集其外围区域的静态积分图像。该方法具有对靶点X射线图像的1维动态与2维静态图像对比分析、成像系统像面位置精密空间定位的功能。利用该方法在神光Ⅱ装置上实现搭载Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜获得内爆靶球压缩流线图, 并应用于流体不稳定性实验中。

根据神光Ⅲ激光器的运作方式和靶室结构,配套建设的X射线条纹相机在结构和性能上同以往有很大不同,建成后不仅应用于高时间分辨的实验诊断,也将用于神光Ⅲ主机各束激光同步性能的检验。设计的X射线条纹相机将全部采用模块化组件,拥有优于10 ps的时间分辨、15 lp/mm以上的空间分辨以及100 eV-10 keV能区的光阴极响应。相机在结构方面采用了非常独特的密闭气室结构,变像管、CCD,所有的电气控制设备都寄宿在气室内并保持常温和一个大气压的工作状态。整个相机系统内嵌了计算机工控设备,通过一根以太网线获得相机所有功能的远程控制。相机其它的特性还包括拥有完善的安全互锁系统以确保相机远程控制的安全;满足严格的EMI/EMP屏蔽要求以避免神光Ⅲ主机高能量激光发射带来的电磁干扰,并可采用光纤引入紫外时标光建立信号的绝对时间基准。