变像管是一种具有高时空分辨能力、宽光谱响应、大动态范围和高探测灵敏度的真空电子器件,是研究超快现象不可或缺的诊断工具。自1934年第一只红外变像管诞生以来,扫描变像管理论和技术已取得长足的进展,其时间分辨能力已经达到飞秒量级,为人们研究激光聚变等超快现象提供了有力的技术支持。在激光聚变研究中,通过测量核爆瞬间所释放的X射线辐射的时间和空间分布,可以获得聚爆过程的基本信息和特征参数,这对人们了解和掌握聚变过程非常重要。随着对激光聚变技术的深入研究,国际上提出了快点火技术。这种技术可以用较低能量的激光实现点火,是一种高增益的激光聚变技术,但其对点火环节在时间上的精密同步要求较高,给诊断技术提出了更高的时间分辨要求,要求变像管相机能实现飞秒级的时间分辨。上世纪80年代人们就研制出了在可见光波段能实现飞秒时间分辨的扫描变像管,但是由于其动态范围太小,无法满足实际应用的需求。扫描变像管的动态范围和时间分辨是一对相互矛盾的统一体,实现高的时间分辨就会降低动态范围,扩大动态范围就不能得到高的时间分辨。本文研究的主要内容即设计一种新型的扫描变像管,能够在实现飞秒级时间分辨的同时具有相当大的动态范围,使其满足核聚变研究的应用需求。本文用数值方法对扫描变像管进行了模拟,分析了扫描变像管时间和空间等特性,指出阴栅渡越时间弥散和空间电荷效应是影响其动态范围的主要因素;以平面对称静电聚焦柱透镜为基础设计了飞秒变像管的电子光学系统;采用狭缝电极替代栅网,拦截大角度电子,提高阴极附近引出场场强并缩短聚焦区长度,改善电子束的时空结构;利用正设计的方法循环计算逐步逼近设计目标,最终确定了扫描变像管的电子光学聚焦系统的五电极结构,聚焦区长度为82 mm,放大倍率M=4.5;最佳像面位置:280 mm;偏转区长度:44 mm;漂移区长度:144 mm,偏转灵敏度为119.8 mm/kV。在计算中使用有限差分法计算变像管电场分布,用蒙特卡罗方法处理电子发射过程中随机涨落问题,用龙格库塔法处理电子在阴极面的发射过程同时考虑镜像电荷的作用,电子轨迹计算中考虑空间电荷效应的影响并采用自适应的可变步长以节约时间提高计算效率。在阴栅场强为10 kV/mm的状态下,得到了整管的极限时间分辨为400 fs,空间分辨率约为26.3 lp/mm。论文中利用输入光脉冲展宽20%时的脉冲强度与最小可探测强度的比值来计算动态范围,得到在阳极电压10 kV、时间分辨为900 fs的状态下,动态范围可以达到50,基本可以在快点火研究中得到应用。根据飞秒扫描变像管的性能要求设计了相应的偏转系统。电子偏转系统是对电子束进行扫描偏转进而分离出其携带的时间信息的重要部件,它包含斜坡扫描电压产生电路和偏转器。为满足飞秒扫描变像管高扫速的需要,本文根据雪崩晶体管的雪崩击穿原理设计并研制了大电流高压斜坡脉冲扫描电路,其脉冲上升前沿为1纳秒,电流为安培级,电压可达3 kV。为满足高速扫描信号在偏转器中传输,本文利用HFSS软件设计了一种具有漫波结构的行波偏转器,它具有较大的通频带宽和较高的偏转灵敏度,适合加载较高斜率的快速扫描信号,符合高时间分辨的飞秒扫描管的研制需求。行波偏转器的主要特点就是电子束在偏转板里面飞行的速度与扫描信号在偏转板上的传输速度相互匹配,使得电子束在扫描信号产生的偏转电场的作用下能够发生更有效的偏转,因此具有很高的扫描偏转灵敏度和良好的偏转线性度。所设计的行波偏转器指长为10 mm,纵向长度为44 mm,两个偏转板的间距为4 mm,通频带宽为4 GHz,特性阻抗为70?,扫描脉冲信号的传输失真率为0.8%。本文根据设计结果研制了平面聚焦扫描管样管,包括零件的设计与加工、高转换效率荧光屏的制作、高灵敏度光电阴极的制作和整管的装配,并以紫外飞秒激光器为基础搭建了实验测试平台,对所研制的飞秒扫描管进行了静态和动态时空等特性的测试。静态测试验证了其耐压特性、聚焦特性和放大倍率,动态测试验证了时空等主要特性,在阳极电压10 kV、全屏148 ps的扫描速度下得到了870 fs的时间分辨,此时的动态范围约为18.8。