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。

设计了一种大探测面积磁透镜分幅变像管。通过理论分析和模拟仿真的方法对单透镜和三透镜两种结构的分幅变像管在不同离轴位置的空间分辨率特性进行了研究，并通过实验进行验证。在仿真计算中，当成像缩小倍率为21时，单透镜结构仅能在10 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率，而三透镜结构能够在30 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率。在实验测试中，单透镜结构仅能在12 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率，而三透镜结构则能在27 mm离轴半径内达到5 lp/mm的空间分辨率。实验结果表明，采用三透镜结构设计的分幅变像管，其有效探测面积比单透镜结构大4倍以上。

针对高时空分辨的设计要求，分析影响条纹相机中条纹变像管的物理时间弥散、技术时间弥散和扫描电路触发晃动的因素，优化设计了行波偏转前置磁透镜聚焦的条纹变像管系统.利用CST仿真软件研究了行波偏转器内部的时变电磁场分布，计算了行波偏转器内电磁波的传播速度.结果表明，行波偏转器的指长为8 mm、指宽为1 mm、指间距为0.24 mm、管脚长为2.5 mm、板厚为1 mm及总长度为17.12 mm时，实现了电子团的飞行速度与扫描电脉冲沿行波偏转器的传输速度的匹配.采用电子追迹法和瑞利判据分析了条纹变像管的动态时间和空间特性，得到单次扫描动态时间分辨率为200 fs、同步扫描时间分辨率为208 fs、动态空间分辨率优于20 lp/mm.

在各种评价像管成像质量的方法中,调制传递函数是一种重要的评价方法.针对原有静电像管电子光学系统设计软件中子午线扩散函数计算的不足及其对调制传递函数的影响,对子午线扩散函数的数值计算方法进行改进.对多种典型像管的数值仿真结果表明,改进后的程序计算的子午线扩散函数更符合实际情况.

提出了一种实现大工作面积分幅变像管的方法。设计了一种大输入光电阴极、小输出图像的静电聚焦变像管，输出端配接常规小工作面积快门选通微通道板(MCP)分幅管单元，实现图像选通和增强功能。这种分幅变像管与直接采用大面积MCP相比，不仅省去了制作大面积MCP的高昂成本，而且避免了由于微带线过长引起的选通脉冲传输衰减大、增益不均匀性严重等固有缺陷。设计的分幅变像管输入阴极有效直径100 mm，输出图像直径40 mm，放大倍率为0.4。中心空间分辨力达到14.4 lp/mm，边缘空间分辨力达到11.2 lp/mm，几何畸变不超过15%，其分幅特性由MCP分幅单元决定。

为获得能够实际应用的飞秒时间分辨软X射线变像管，提出并完成了一种新的扫描变像管管型的理论设计。新管型采用五电极平面对称静电柱透镜,它易于对电子束进行强聚焦，且没有轴对称透镜的电子束聚焦交叉点，由此可以缩短变像管长度，减小渡越时间弥散和抑制空间电荷效应，从而提高动态范围和时间分辨率。通过模拟计算得到：在光电子初能量色散半高宽为1.6 eV、狭缝面积为10 mm×20 μm、时间分辨能力为500 fs时，软X射线变像管有用的动态范围约100倍。

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。

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.

介绍了一种新型的多极式偏转器--8瓣状多极偏转器,它可通过将一旋转对称电极均匀开槽切割为8片而成。通过对圆周上各电极电位分布作傅里叶分析,获得了在其内部产生近乎均匀横向偏转场所需要的电极电位设置规律。由于其结构上的旋转对称性以及Laplace方程解的调和性,当在此8瓣偏转器各电极上同时叠加一聚焦透镜所需电位时,它所产生的场中多极场分量为16极场或者更多极场而不影响近轴区的聚焦效果,因而其能与常用的圆筒形电极相结合而形成复合聚焦-偏转系统。其具有的聚焦偏转特性也通过相关的定性分析得以验证。同时,这样结构上的优化也为变像管的小型化设计提供了可能性。