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阳极杆箍缩二极管(Rod Pinch Diode,RPD)作为X射线源产生重要部件,其具有较小焦斑和较高亮度,被认为是1 MV～4 MV闪光X光机装置最理想的二极管。然而,在RPD设计时,如何评估RPD工作物理机制及离子流对其影响至关重要。为此,本论文以中能X光机研制为背景,研究RPD各个阶段的物理特性,进而建立用于描述各个阶段工作过程的物理模型,在此基础上设计工作电压为1 MV～4MV的RPD,并通过实验研究验证了理论模型。论文主要研究成果如下:(1)建立有限发射宽度阴极的双极性空间电荷电流计算模型和磁绝缘阶段具有离子效应的层流模型。通过理论计算分析,研究了不同几何结构参数及工作电压对RPD内离子、电子电流的影响。在此基础上,给出了评估空间电荷阶段离子电流与电子电流计算式,当阴极宽度远大于AK间隙时,离子、电子电流计算结果为无限长向内发射的圆柱二极管理论计算结果一致;通过理论计算分析,给出了磁绝缘阶段电子和离子数密度、速度沿径向分布规律,以及电场和电位沿径向分布规律。研究了不同条件下电子层平衡半径的变化规律及其对RPD物理特性的影响。并给出了临界电流系数与几何结构和电压的变化规律。研究结果表明,该模型更能真实描述RPD物理工作过程,同时实验结果也验证这一模型的有效性;(2)建立PIC模拟模型,给出了不同RPD几何结构参数下二极管内粒子分布特性、二极管阻抗、磁绝缘过程离子电流占比和临界电流系数等并与理论模型结果进行了对比分析。结果表明,当rc/rA在5～20范围内,RPD阻抗范围在40Ω～75 Q,该PIC模拟结果与磁绝缘过程离子存在时的层流模型理论计算结果一致,最大偏差小于10%。离子、电子电流占比与In(rc/rA)成线性关系。相同阴阳极比例参数下,离子电流正比于1/rA。给出的离子、电子电流占比与RPD几何结构参数关系的计算结果与理论模型结果一致;该项研究成果不仅验证物理模型还给出了粒子清晰的时空分布图像;(3)设计了工作电压为1 MV～4MV的RPD,阴阳极具有同心调节结构。借助电极准直系统,使得装配的RPD阴阳极同心偏差控制在0.05mm以内。实验结果表明,阴极上位流电子发射面均匀,且在同一等级电压下,辐射剂量偏差小于5%。并给出了不同同心偏差下RPD物理特性及辐射特性的变化规律。结合实验结果与临界磁绝缘电流给出了用于评估阳极等离子体扩散速度的计算模型,用该等离子体扩散速度计算物理模型,其结果与实验结果一致。评估了设计的RPD产生X射线的焦斑、能谱及辐射剂量的能力。