X射线分幅相机利用变像管来实现图像的光电转换、脉冲选通以及图像增强,是一种同时具有亚纳秒时间分辨和二维空间分辨能力的高灵敏度诊断设备。其被广泛用于惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)、Z-箍缩(Z-pinch)等重大研究领域。在ICF的最后阶段,聚变燃烧持续时间约为l00 ps,对该阶段等离子体时空演化的测量要求X射线分幅相机的时间分辨率优于30 ps,空间分辨率达到微米量级,同时还对大灵敏面提出了要求。传统的MCP行波选通分幅相机难以满足上述要求。2010年,时间展宽X射线分幅相机被成功研制。该相机将脉冲展宽技术(Pulse-dilation technique)和MCP行波选通技术相结合,获得了优于5 ps的时间分辨。时间展宽分幅相机的问世将为ICF研究提供一种新型的、具有更高时间分辨率的诊断设备。为了满足国内ICF的需求,本论文设计研制了短磁聚焦成像电子束时间展宽分幅变像管,对变像管的时空特性进行了理论和实验研究。探索大灵敏面条件下X射线分幅相机优化时空分辨的有效途径,进而为国家惯性约束聚变和Z-箍缩等领域的研究提供一种高性能的超快诊断手段。本论文的主要工作包括:1、利用Matlab编程建立短磁聚焦时间展宽分幅变像管的理论模型,对其时空分辨特性进行了理论研究。2、数值模拟了变像管系统的静态成像特性。当光阴极加载直流电压-3.0 kV,栅网接地,成像倍率为1:1时,单透镜像管轴上、离轴6 mm和12 mm处的空间分辨率分别为16.2,7.3和2.5 lp/mm;成像倍率为2:1时,上述三个位置的空间分辨率分别是7.1,4.6和2.1 lp/mm。采用磁透镜组合成像,可有效提升空间分辨率。双透镜和三透镜2:1成像,阴极上离轴6 mm的空间分辨提高了1倍以上,离轴12 mm提高了2至3倍,离轴18 mm范围内的空间分辨率优于5 lp/mm。像差分析表明,组合磁透镜成像系统的彗差、象散、场曲以及整体畸变较单磁透镜成像均有明显减小,像质显著改善。3、数值模拟了单磁透镜1:1成像下变像管的动态特性。阴极偏置-3.0kV时,光电子脉冲在像管中的渡越时间和渡越时间弥散分别为15.5 ns和3.4 ps。阴栅间的渡越时间弥散为447 fs,主要由电子初能量弥散造成的。在漂移区中,初能量弥散和空间电荷效应造成电子脉冲迅速展宽。阴极加载线性斜率的展宽脉冲时,光电子脉冲展宽倍率随阴极偏置的减小以及电压斜率的增大而增大。推导了光电子脉冲线性展宽的阴极激励函数,并经数值模拟验证。通过追踪光电子脉冲的展宽过程和束流的演化,求得阴极偏置-3.0 kV,脉冲斜率分别为10 V/ps,7.0 V/ps和2.1V/ps时,系统的技术时间分辨率分别为2.2 ps,3.2 ps,和6.6 ps,总时间分辨率分别为4.0 ps,4.7 ps和7.4 ps;变像管离轴2 mm以内的动态空间分辨率优于10 lp/mm,离轴5 mm的动态空间分辨率~6-7 lp/mm。4、采用阴极光刻分辨率板实验研究了变像管的成像质量。阴栅电压为-3.0kV,成像倍率为1:1时,单透镜像管离轴6 mm,9 mm和15 mm等处的静态空间分辨率分别为9.2 lp/mm,4.8 lp/mm和1.8 lp/mm。成像倍率为2:1时,发现组合透镜成像空间分辨明显高于单透镜,并且像场畸变也较小。双透镜成像离轴9 mm以内的空间分辨率优于5lp/mm;三透镜成像离轴20 mm以内的空间分辨率优于5 lp/mm,阴极面上成像范围可达离轴30mm。通过改变磁透镜激励的方法测量了单、双透镜的像场弯曲,得到单、双磁透镜成像面中心处的曲率圆半径分别为6.0mm和9.6mm。采用两边微带较中间微带加载更高加速电压的方法改善三透镜像管的场曲,使两边微带离轴25mm区域的空间分辨达到或接近5lp/mm。此外,还研究了电子束莫尔条纹的成像规律。5、实验研究了变像管的动态性能及其主要影响因素。利用高速示波器间接测得阴极偏置-3.0kV时,电子在像管中渡越时间约为16.0ns;借助光纤传光束法测量系统动态时、空分辨率。测得电子束时间宽度未展宽时系统时间分辨率为78ps。当微带阴极加-1.5kV的直流电压和斜率为7 V/ps的脉冲电压时,电子束时间展宽技术将时间分辨率提高至5 ps。测得单磁透镜1:1成像,相机的近轴动态空间分辨率优于10 lp/mm。本论文的主要创新点如下:1、提出了大灵敏面条件下采用磁透镜组改善离轴物点成像质量的方法,建立了大物面变像管的理论模型,获得了像管空间分辨率的模拟结果,实验验证了磁透镜组对像场弯曲的部分校正。成像倍率为2:1时,得到单、双磁透镜成像面中心处的曲率圆半径分别为6.0mm和9.6mm;2、系统研究了变像管中电子束莫尔条纹的成像,实验上得到了电子束莫尔条纹的成像条件符合传统的光学莫尔条纹成像规律的结果。