基于微型X射线闭管的X射线荧光谱仪是深空探测新一代元素就位分析技术，研制了一款微型微焦斑X射线闭管作为X射线荧光分析的激发源。设计了一种新型的单极静电聚焦透镜，仿真模拟了电子聚焦光学结构尺寸对电子束运动轨迹的影响，并对静电聚焦结构的形状和尺寸进行了优化。完成了微型一体化X射线源的加工和装调，搭建了X射线源性能测试装置。微型一体化X射线源工作电压2~50 kV、X射线强度不稳定性为0.3%、高压不稳定性为0.21%。在高压50 kV、电子电流50 μA的情况下，微型一体化X射线源的总功耗5 W，焦斑尺寸177 μm×451 μm，可以满足深空探测行星表面物质成分原位分析需求。

由所导出的阴极透镜中普遍成立的二级近轴横向色差即著名的Recknagel-Apцимович表示式出发,研究电子束形成的最小弥散圆以及最佳成像面的位置的确定,考察由物面原点发射的电子束在栅状阳极上形成的散射圆以及整个阴极面发射所形成的交叉颈,描绘由物面原点逸出的电子射束在成像段所形成的电子射线的包络。该研究有助于读者理解电子光学像管中电子行进的轨迹以及成像段的电子轨迹的发散与会聚。

鉴于两电极静电聚焦同心球系统成像的定焦性质,当该系统的几何尺寸相对关系给定后,像面位置与放大率也就随之确定,改变系统的电参量引起的像面位置和放大率的变动是极其微小的。研究在由光阴极与栅状阳极组成的两电极同心球系统中插入任意多个栅极后,该系统的电子光学成像特性及其横向像差的变化规律。再次证实了在多电极静电聚焦同心球系统中,成像电子光学系统的二级近轴横向色差即 Recknagel-Apцимович公式依然成立。着重讨论了三电极静电聚焦同心球系统的电子光学成像特性。

在A章基础上,进一步研究两电极静电聚焦同心球系统的轴上点电子光学横向像差。研究表明,对于成像电子光学系统,由光阴极发射的电子所形成的图像弥散,其轴上点的图像弥散由近轴横向色差与几何横向球差两部分组成,这证明了在静电聚焦同心球系统中,阴极透镜的二级近轴横向色差即Recknagel-Apцимович公式普遍成立。研究了宽电子束与细电子束之间轴上点横向像差之差异,最后讨论了两电极同心球系统向近贴聚焦系统过渡的特例。

在成像电子光学中,静电聚焦同心球系统具有一系列宝贵的性质,其电位分布与电子轨迹能以解析形式表示,可以定量地研究系统的电子光学成像特性与横向像差。尽管前人已有不少研究,但都限于零级近似成像的认识,且其中存在着不少谬误。本系列文章将全面研究静电聚焦两电极与多电极同心球系统中电子的运动轨迹、电子光学成像特性与横向像差,探讨电子束在成像段形成的图像弥散,得出一些新的结论和认识,纠正文献中存在的一些谬误,建立自己的理论体系。本系列文章的第一篇主要探讨电子在两电极同心球系统中在静电场作用下的运动轨迹,导出了两电极静电聚焦同心球系统中自阴极面逸出的电子轨迹在极坐标系下的表示式ρ=f(φ)与圆柱坐标系下新的轨迹方程的表示式r=r(z),给出了自光阴极逸出的电子在成像段的行进轨迹的交轴位置及其斜率的近似和精确表示式。本文为全面研究静电聚焦同心球系统的电子光学性质及其像差奠定基础。

等离子体诊断由于其持续时间为皮秒量级, 故要求在X射线条纹相机单次测量过程中尽可能多地获取信息, 其中一个有效的途径是增大其成像面积。为了解决大物面成像质量问题, 基于二电极同心球静电聚焦系统, 设计了一种大物面X射线条纹管。通过蒙特卡罗法仿真电子发射和龙格-库塔法追踪电子轨迹, 计算得到该管型阴极有效工作面积直径为50 mm, 中心静态极限空间分辨率可达50 lp/mm, 边沿静态极限空间分辨率31 lp/mm, 放大倍率为1.1, 整管长度600 mm, 管径100 mm。结果显示, 该条纹管满足大物面成像的要求, 可用于超快事件过程中大量信息的获取。

介绍了静电聚焦方式在毫米波行波管中的独特优势, 分析了周期静电聚焦场的建立方法。基于某Ka波段行波管, 首先根据指标要求设计了强流电子枪并选择类梳齿状结构作为其慢波电路, 然后对电子枪和类梳齿状慢波电路组成的电子光学系统进行了模拟计算, 最后对慢波电路的关键尺寸进行了容差分析。结果显示, 在周期静电场的作用下, 电子注全部平稳地通过了慢波系统。良好的静态通过率为后续高效率的注-波互作用奠定了基础, 证明了利用静电场聚焦毫米波行波管中大电流密度电子注的可行性。

建立了不等径双圆筒电极结构的旋转轴对称静电场电子光学聚焦系统模型,利用ANSYS软件,数值模拟了电子束在其内部场中的运动情况,给出了理论计算的像面和最佳成像位置。研究了电极形状、尺寸和负载电压等因素对系统成像特性的影响。得出了各电极负载对聚焦点位置影响的量化关系。研究表明:聚焦极对系统成像的影响比加速极和阳极大;聚焦极负载电压对成像特性的影响比电极尺寸和形状大得多。