碘化铯（CsI）光电阴极广泛应用于超快诊断中，光电子的空间分布、能量分布、时间分布等与条纹变像管的整体性能有着密切的关联。本文联合粒子仿真软件Geant4和三维电磁软件CST实现了对CsI光电阴极的光电子产生与控制过程的全动态模拟。采用Geant4软件对CsI光电阴极的光电转换过程进行建模，分析了二次电子出射能量、时间、位置、角度等发射特性；通过数据交互，统计了出射光电子的分布规律，然后将其应用于CST中建立阴极发射模型，并在CST中设计出一款弧矢、子午方向上放大倍率皆为2的各向异性聚焦条纹变像管。

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。

围绕小型条纹变像管, 数值研究了光电阴极发射的光电子的初始能量及球面阴极曲率半径对物理时间分辨率及时间畸变的影响.结果表明：物理时间分辨率受光电子初始能量影响较大, 受阴极曲率半径及离轴距离影响较小; 离轴距离越大, 时间畸变越大; 平面型光电阴极在离轴8 mm的物点处, 时间畸变大于40 ps; 随着阴极曲率半径的减小, 时间畸变逐渐由正值变为负值; 当阴极曲率半径为70 mm时, 条纹管在整个阴极工作狭缝16 mm内的时间畸变小于8 ps; 同时, 在4.3 ns全屏扫描时间条件下, 光电阴极发射的狭缝像在荧光屏上几乎没有弯曲, 且即使在离轴8 mm的物点处, 光电阴极空间分辨率仍可高达25 lp/mm @ MTF=10%. 此外, 实验测试了条纹变像管的静态空间分辨率、阴极积分灵敏度及条纹变像管的亮度增益特性.测试结果显示：光电阴极中心处空间分辨率高于28 lp/mm, 边缘处高于18 lp/mm; 阴极灵敏度为178 μA/lm, 亮度增益高于12, 远高于具有相同探测面积的皮秒条纹变像管的亮度增益(亮度增益仅为0.5), 在条纹管激光雷达领域具有较强的弱信号探测能力.

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。

为获取更多惯性约束聚变内爆运动信息和测量聚变燃烧阶段等离子体的时空特性, 以微通道板(MCP)选通分幅变像管为基础, 采用电子束时间展宽技术和组合透镜成像技术, 研制了曝光时间优于30 ps的分幅变像管, 并通过变像管结构、工作原理和实验测试分析了2类像管性能差异的原因。研究结果显示, MCP选通分幅变像管具有良好的空间分辨性能, 而采用新技术的变像管则具有更优秀的时间分辨性能, 实验测试获得MCP选通分幅变像管的曝光时间和空间分辨率分别为97 ps和~53 μm(调制度为4%), 而采用新技术的分幅变像管分别为和21 ps和~74 μm(调制度为3%)。高时间分辨分幅成像技术的应用可为惯性约束聚变的研究提供更多的可信数据。

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。

X射线分幅相机是惯性约束聚变实验中的重要二维超快诊断设备，具有长漂移区结构的时间展宽分幅相机，在大幅度提升时间分辨性能的同时，会使空间电荷效应时空弥散变大。为探讨空间电荷效应的影响，以短磁聚焦分幅变像管为例，通过平均场模型和电子轨迹及成像分布研究空间电荷效应的时空弥散，并分析其对像管的影响。研究和分析结果表明，空间电荷效应引起的时间弥散与阴极电压、展宽脉冲斜率和漂移距离有关，空间弥散与成像系统和电子脉冲电流密度相关。当分幅变像管的时间分辨率提升至2 ps左右时，空间电荷效应的时间弥散相当于物理时间分辨，成为制约时间分辨性能进一步提升的主要因素，此时像管空间分辨性能降低8 %左右。通过对像管空间电荷效应研究及其降低方法的探讨，为亚皮秒时间分辨分幅变像管的研制提供理论参考。