条纹相机是高时间分辨率的诊断工具,在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)等超快过程研究中有重要作用。激光快点火ICF研究中需要研究聚变瞬间所释放的X射线辐射的时空信息,受此需求研究X射线飞秒条纹相机。虽然X射线飞秒条纹相机有很多前期研究工作和进展,但是在飞秒时间分辨率下,还存在动态范围太小的缺陷。条纹变像管是条纹相机的核心器件,本文研制了能提供一定动态范围具有实用价值的X射线飞秒条纹变像管。另一方面研究提高X射线条纹相机时空分辨率、动态范围等主要指标,继续改进X射线条纹变像管的设计,研究提高条纹相机性能的途径和方法。本论文在总结国内外条纹相机发展的基础上,进行了X射线飞秒条纹变像管设计和性能提高的研究,完成的主要工作包括以下几个方面:1.研究了X射线条纹变像管实现飞秒时间分辨率的方法。用参数介绍-提高方法-技术分析的逻辑顺序进行阐述和分析时间分辨率。引入了评价条纹变像管时空性能的方法:时间和空间调制传递函数,简介该函数的物理意义、计算方法和使用优点。介绍条纹变像管计算动态范围的两种方法。最后提出了实现X射线飞秒条纹相机的方法和关键技术,使用平面聚焦系统,减小空间电荷效应,提高轴上电位分布,减小聚焦区管长。2.使用Matlab编程设计和模拟平面聚焦X射线飞秒条纹变像管。首先根据系统中的电极分布和电压值使用有限差分法,高斯-赛德尔的超松弛迭代法加快收敛速度,得到管内电场分布。计算管内电子飞行轨迹时,使用Monte Carlo方法抽样电子初始状态:能量、方向角、方位角、发射区域、时间分布;使用四阶龙格-库塔法计算电子轨迹,其中用拉格朗日插值电子落点电场值。电子的发射和飞行全程考虑了空间电荷效应。3.X射线条纹变像管的模拟设计结果。首先对现存阴极附近时间弥散不一样的评价公式,确定了紫外和X射线波段入射光电阴极时,为光电子六种初始能量分布的时间弥散计算了精确值,其中对Henke模型使用了一种较为快速的抽样方法。分析了光电子发射电流密度、加速电场和时间弥散的关系。模拟得到电子脉冲在加速区轴向速度的线性啁啾,以及能量弥散变化和在自由区不相同。模拟得出平面聚焦X射线飞秒条纹变像管的极限时空分辨率为392fs、28.5lp/mm,动态范围为66。4.为提高平板结构X射线飞秒条纹相机性能,设计了一种加速结构。该结构具有加速栅网和加速狭缝通道。考虑实际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情况下,用Monte Carlo方法研究了电子在采用该加速结构条纹变像管中的飞行轨迹。结果显示具有该加速结构的飞秒条纹相机空间分辨率为21lp/mm、时间分辨能力497fs,对比传统平板结构条纹相机,分别提高了90%和29%左右。该结构简单,具有一定实用性。5.后加速技术是我们提高X射线条纹相机性能的重要技术,本文做了详细研究。从后加速系统中的电子光学、最小可探测光子密度、栅网莫尔条纹以及电子和栅网的碰撞四个方面研究了后加速技术作用。得出后加速系统的引入既可以保证大的偏转灵敏度又充分利用了荧光屏量子效率,还有利于提高相机动态范围。研究了后加速系统中栅网对等位区电场的扰动,对后加速系统中栅网的选择提供了参考;分析了条纹相机中对空间成像不利的莫尔条纹,并研究了降低莫尔条纹影响的方法。6.实验平台的建立和实验测试。研制出了X射线飞秒条纹变像管;在静态和动态工作模式下,搭建、测试并标定了相机系统;在钛宝石飞秒激光器266nm紫外光激发下,测试条纹相机结果为时间分辨率780fs,极限动态范围96.3,工程动态范围18.2,具有一定实用性。为后加速系统制作了高性能荧光屏和分划板式阴极。测试了使用后加速系统的皮秒轴对称条纹相机,荧光屏中间区域达到了15lp/mm,边缘达到了10lp/mm,工程动态范围2412的性能指标,是以往国内条纹相机最高动态范围的两倍多。在相机条纹图像分析中使用了LLNL实验室使用的峰值取样法,得到条纹相机的空间MTF曲线。本论文研究工作的主要创新点有:1.用Monte Carlo方法研究紫外和X射线入射光电阴极时,给出了光电子六种初能分布下较为精确的时间弥散值,其中对Henke模型提供了一种较为快速抽样方法。2.在研究电子阴栅之间飞行状态时,得到电子在加速区的速度啁啾、能量弥散和在等位区不同,并给出了理论解释。3.对传统平板结构飞秒条纹变像管提出了改进,设计了一种加速结构,计算和模拟显示具有这种结构的X射线条纹相机时空性能有所提高。4.引入了后加速技术提高X射线条纹相机动态范围。从后加速系统中的栅网对电位扰动、最小可探测光子密度、栅网莫尔条纹以及电子和栅网的碰撞四个方面研究和分析了后加速技术。在实验中验证了后加速系统的价值,提高轴对称X射线皮秒条纹相机工程动态范围2412,这是以往国内有报道最高值的两倍多。