基于磁聚焦成像的脉冲展宽分幅相机是具有超快时间分辨的诊断设备，空间电荷效应是制约其时空性能向更高量级提升的主要因素。为研究脉冲展宽分幅相机中的空间电荷效应，基于电子脉冲电势分布和电场力方程建立研究模型，将电子脉冲动态特性融入模型分析。研究结果显示，由成像磁场引起的电子脉冲动态半径对空间电荷效应时空弥散影响显著，当轴上磁场强度为4.585×10^-3 T时，随着离轴位置增加至15 mm，磁场强度提高到4.763×10^-3 T；由于离轴电子脉冲散焦使动态半径较大，因此在降低电子密度的同时，使空间电荷效应的时间弥散由2.94 ps减小至483 fs，空间弥散由668 μm减小至22 μm；当轴上磁场强度由4.585×10^-3 T降低至3.359×10^-3 T时，与最优空间分辨性能相似，空间电荷效应时空弥散在磁场3.4×10^-3~3.5×10^-3 T区域内达到最小，此时离轴15 mm内的时间弥散范围为256~392 fs，空间弥散范围为3.1~15.4 μm。研究结论为分析磁场对脉冲展宽分幅相机空间电荷效应的影响提供一定的理论参考。

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。

详细对比并分析了双异质结单载流子传输光敏晶体管(Uni-travelling-carrier Double Heterojunction Phototransistor, UTC-DHPT)与单异质结光敏晶体管(Single Heterojunction Phototransistor, SHPT)在大的入射光功率范围下集电极输出电流特性.首先, UTC-DHPT仅选取窄带隙重掺杂的基区作为吸收区, 与SHPT选取基区和集电区作为吸收区相比, 其光吸收区厚度小, 在小功率入射光下UTC-DHPT的输出电流小于SHPT的输出电流.其次, 由于UTC-DHPT的双异质结结构, 光生电子和光生空穴产生于基区, 减弱了SHPT因光生空穴在集电结界面积累而产生的空间电荷效应, 避免了SHPT在小功率入射光下输出电流开始饱和的问题, 从而UTC-DHPT获得了比SHPT更大的准线性工作范围.最后, UTC-DHPT的单载流子(电子)传输方式使得基区产生的光生空穴以介电弛豫的方式到达发射结界面, 有效降低了发射结势垒, 增加了单位时间内由发射区传输到基区的电子数量, 提高了其发射结注入效率, 在大功率入射光下UTC-DHPT比SHPT能获得更高的输出电流.

为提高飞秒条纹相机的性能，设计了一种新型加速结构的条纹相机，它具有加速栅网和加速狭缝通道，平行平板电极结构。考虑实际惯性约束核聚变(ICF)实验中X 射线入射CsI光阴极，光电子能量弥散较大和空间电荷效应作用下，用蒙特卡罗方法抽样2000个光电子能量角度分布值，用四阶龙格-库塔法计算了电子在条纹相机中的飞行轨迹。在成像面上统计电子时空分布得到该条纹相机的时间和空间分辨特性，结果显示使用该加速结构的飞秒条纹相机空间分辨率达到21l lp/mm,时间分辨率达到508.4 fs，对比传统平行平板相机，分别提高了90%和29%左右，性能提高明显。该新型条纹相机加速结构简单，具有实用性。

基于飞秒条纹相机系统和飞秒电子衍射系统设计需求,通过蒙特卡罗方法模拟研究了在阴栅加速区光电子能量、角度分布和空间电荷效应对光电子时间弥散和能量弥散的影响.确定了紫外和软X射线波段入射光电阴极时,光电子六种初始能量分布的时间弥散精确值.分析了光电子发射电流密度、加速电场和时间弥散的关系.发现了电子脉冲在加速区轴向速度的线性啁啾、能量弥散变化和在自由区不相同.

雪崩光电二极管(APD)可以作为调频连续波(FMCW)激光雷达的光电探测器并同时实现混频功能，其光电混频技术是制约FMCW 激光雷达接收与处理技术中自混频性能的核心问题之一。APD 在实现光电混频的过程中，空间电荷效应会对其增益产生一定的影响。基于APD 经验增益模型和空间电荷的理论分析，对原增益模型进行了改进。通过实验研究证明改进增益模型的正确性，由此论证了APD 在强光照条件下，APD 增益受空间电荷电阻、串联负载电阻和总电流的影响，从而确定了APD 作为FMCW 激光雷达光电探测器时其混频性能的影响因素。

中国散裂中子源(CSNS)快循环同步加速器(RCS)把能量为80 MeV的束流储存并加速到1.6 GeV然后引出到靶站。为了减少RCS中的束流损失, 有必要对RCS做色品校正, 并减小动量偏移对束流光学的影响。尝试了多种色品校正方案并对不同色品校正方案做了比较。用三维跟踪程序SIMPSONS研究了色品校正六极铁与空间电荷效应对束流的影响。色品校正六极铁可以有效减小色品引起的频散, 但是由于六极铁为非线性元件, 导致不同振幅的粒子间有一定频散。模拟发现同时存在空间电荷效应和色品校正六极铁时, 会有少量的束流损失。

介绍了紧凑型回旋加速器CYCIAE-100的特点及设计过程中重点考虑的一些物理问题，如紧凑型直边扇磁铁结构的轴向聚焦、异性高频谐振腔的设计、空间电荷效应等。研究了该加速器的调束技术，包括调束方案、诊断设备布局及径向靶测量的束流信息、物理图像。CYCIAE-100的主磁铁设计中，为降低磁铁和高频腔的加工难度而采用直边扇形磁极，为解决直边扇形磁极在大半径处的轴向聚焦力下降的问题，采用变气隙技术，从而有效提高轴向聚焦力。采用自行开发的基于PIC技术的宏离子模拟程序OPAL-CYCL进行了空间电荷效应的研究，结果表明，CYCIAE-100的极限流强为10 mA。

空间电荷效应是引起发射度增长的主要因素，特别是在高压直流连续波光阴极注入器中。分析了高压直流连续波光阴极注入器中线性空间电荷力的特点及其对电子束横向发射度的影响，并从理论上解析地研究了螺线管发射度补偿的原理及特点。最后利用Parmela程序对中国工程物理研究院高压直流连续波光阴极注入器的发射度补偿作了模拟计算。结果表明，束团电荷量为80 pC的电子束在350 keV高压直流电子枪出口处的横向归一化发射度为5.14 mm·mrad，经过螺线管补偿后，其最小横向发射度变为1.27 mm·mrad。电子束的发射度得到了很好的补偿。

针对神光Ⅲ原型实验中出现的动态畸变现象，开展了条纹相机动态成像特性研究。结合实验图像，利用CST Particle Studio软件模拟了强信号下变像管的成像过程，结果表明：在强信号下，变像管的空间电荷效应会造成电子束聚焦点与理想成像面距离减小，使得图像的放大倍数变小，产生信号弯曲现象，并且这一现象随着电流强度的增加更为明显。