以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标，开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析，指出同一个电子束轨迹分布，既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽，也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽，由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算，发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小，基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例，当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时，对比大尺寸靶，采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下，获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源，具有一定的应用价值。

以强流脉冲电子束为研究对象, 提出了一种基于离散时间、限定靶面位置, 通过测量靶面不同时刻入射角分布, 利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r,z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700 kV、阻抗7 Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值, 分析了(0,0°), (25 mm,135°), (36 mm, 270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性, 结果表明: 在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下, 能量沉积特性与入射角呈现相关性, 仿真结果与实验结果符合较好, 偏差均小于10%; 距阳极靶心25 mm以外的靶面位置, 受束流箍缩影响, 入射角分布变化较大; 当入射角较小时(小于40°), 强流电子束能量沉积峰值深度约0.2 mm; 当入射角超过40°时, 能量沉积峰值深度减小到0.1 mm左右; 而阳极靶心位置附近, 受束流箍缩影响较小, 这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。

介绍了利用串级二极管产生大面积脉冲硬X射线的基本原理,建立了串级二极管的等效电路模型,分析了二极管串联工作过程,通过模拟计算给出了串级二极管工作过程的影响因素。串级二极管分压过程分为电容分压、阻抗和容抗分压、真空击穿后动态平衡及阻抗分压四个阶段,二极管电容和真空击穿电压是影响二极管串联初始阶段分压的主要因素,二极管的阻抗变化过程和二极管间隙的击穿时间差决定二极管分压的一致性。

采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象; 实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 Ω,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中, 需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束, 并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一, 为深入了解强流电子束产生物理过程, 研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序, 并开展了大规模数值模拟研究, 探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究, 介绍了导致束流品质差的两大物理原因: 预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因, 提出了四种提高强流电子束品质的方法: (1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应; (2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束; (3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率; (4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。

从绝缘和机械强度两方面优化设计了一种应用于强流电子束二极管的陶瓷真空界面。首先，依据真空沿面闪络机理及其影响因素，针对外径220 mm的陶瓷板，应用ANSYS静电场模拟，通过对阴极电极形状和阳极外壳尺寸的调整，使得陶瓷沿面电场和阴、阳极三结合点场强均得到了有效控制。模拟结果显示: 陶瓷沿面电场分布均匀，阴、阳极三结合点场强小于30 kV/cm，电场线与陶瓷表面所成角度基本保持在45°; 其次，针对陶瓷与电极的约束结构，通过静力和瞬态冲击分析，确定了该陶瓷界面可承受的最大静压和冲击波最大峰压分别为4.8 MPa和60 MPa; 最后，在脉宽200 ns的脉冲功率驱动源上进行了实验研究，陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm，二极管运行稳定，机械性能可靠，实验结果与理论设计相符。

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极(刀口尺寸38~39 mm)开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析。研究结果表明,电子束径向分布在37.2~40.2 mm,存在密度较高区域(38.8~39.4 mm)和密度最大值点(39.2 mm),且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算，轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示，各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布，截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲，钽-石墨层厚比为1∶1时，石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积，轫致辐射效率为35.4%；4脉冲情况下，钽-石墨层厚比应为1∶13，总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量，钽-石墨两者的厚度比为1∶5时，钽层的总厚度应为1.2 mm；当钽-石墨层厚比为1∶10时，钽层的总厚应降到0.7 mm。