基于低振动低温恒温器，建立了一套用于冷冻靶参数测量的马赫-曾德尔激光干涉显微系统。考虑光折射效应，推导出了靶丸光程差随入射角变化的完整表达式。在低温环境中，当燃料固化或完全气化时，分别获取了靶丸中心存在条纹时的干涉图。基于干涉条纹形状分析法，利用光程差表达式分别计算了靶丸壁厚及靶丸内燃料气体浓度。同时，用非破坏性方法对气体浓度测量结果进行了实时标定。两种方法给出的结果之间的相对误差小于5%。

惯性约束聚变(ICF)冷冻靶中氘氘(D2)、氘氚(DT)等燃料冰层在靶丸中的分布由靶丸所处的温度场决定。在氘氘冷冻靶中, 垂直温度梯度引起的气-液界面张力梯度可以抵消重力作用, 使氘氘液体在靶丸内均匀分布; 然后在氘氘的三相点附近缓慢降温, 可以实现燃料冰层的均化。 在氘氘冷冻靶均化实验系统上, 采用温度梯度结合制冷速率与制冷过程控制的方法, 实现了1 mm直径、30 μm壁厚的辉光放电聚合物(GDP)靶丸中氘氘冰层的均化, 对背光阴影图像中亮环位置进行分析表明: 氘氘冰层的平均厚度为185.56 μm, 均匀度为80.2%, 模数-功率谱曲线中模数2~100对应的内表面粗糙度为2.26 μm。

基于自主研制的平面冷冻靶打靶系统及微管注入法充气/冷冻技术，探讨了不同充气速率对平面冷冻靶制备的影响。研究表明: 随着充气速率的减小，靶盒内氢气压强的变化速率越小，液化过程越明显，并且持续的时间越长; 充气速率越小，越能准确测量液氢在该温度下的饱和蒸气压。同时，确定了最佳充气速率，建立了利用饱和蒸气压标定液氢温度的方法。研制的平面冷冻靶已经成功提供ICF物理实验。

背光阴影成像是表征ICF冷冻靶燃料冰层的有效方法。基于背光阴影成像技术，冷冻靶燃料冰层原位表征技术能原位实时监测靶丸内燃料气体相变与冰层均化过程，得到打靶零前时刻燃料冰层厚度和粗糙度信息，为物理实验提供准确参数。在冷冻靶制备实验中，根据背光阴影成像的光线追迹模型和实验测得的阴影图像中的亮环位置，计算得到了均化后冷冻靶中燃料冰层的厚度以及内表面粗糙度。

通过光线追迹程序对红外光在黑腔中的传播进行模拟，得到红外光聚焦位置不同时靶壳和燃料的体加热率。模拟结果表明：当燃料冰层实现均化时，相比靶壳，燃料吸收了少部分红外光能量。靶壳和燃料的体加热率随着红外光在黑腔上的聚焦位置而改变，聚焦位置偏移量的增加，靶壳的红外光加热率峰值对应的高度角逐渐变大，而燃料的红外光体加热率逐渐变小。因此，通过改变红外光的聚焦位置对靶丸以特定的体积热率加热，从而达到燃料均化所需的温度场。

基于激光惯性约束聚变对冷冻靶燃料冰层质量的要求和红外光热效应原理, 研究了红外光对球形冷冻靶燃料冰层结构和空间分布的影响。研究结果表明: 在波长为3140 nm, 输出功率为100 μW的红外光辐射加热作用下, 冷冻靶燃料冰层在结构上逐渐由多晶向准单晶转变, 在空间分布上逐渐变得均匀, 其光学图像上的表现为出现了背光亮环。通过对亮环的分析计算, 获得了其冰层的均方根粗糙度值。

提出采用激光多普勒效应测量GM低温制冷机振动, 并搭建实验台测试了RDK-408S型GM制冷机各方向的振动大小。实验结果表明, 型号为RDK-408S的GM制冷机振动频率约为1 Hz, 轴线方向的振动最大, 约为30 μm, x方向也存在脉冲振动, 达到30 μm, 都远远大于激光约束聚变研究中所需要的振动要求, 必须采取具体措施进行减振或隔振。

阐述了冷冻靶类球面物体X射线相衬成像机理; Tracepro软件模拟研究证明了X射线相衬成像法能用于冷冻靶燃料层参数的表征; 研制了在线表征冷冻靶的X射线相衬成像实验装置, 利用该装置开展了二乙烯基苯泡沫球壳及实际氘氘冷冻靶的X射线相衬成像实验研究, 获得了玻璃微球内氘氘冷冻层X射线相衬图像, 成像分辨力达1.5 μm; 利用X射线相衬成像法可同时表征烧蚀球壳及冷冻燃料层, 为惯性约束聚变实验提供冷冻靶参数。

利用较高能量的X射线对聚苯乙烯（PS）微球进行离焦相衬成像，球壁内密度变化较大的微小气泡的边缘衬度得到有效增强，从而在灰度变化较平滑的微球整体图像中凸显出来，分析了衬度来源及相关因素。实验采用微焦斑的X射线管及CCD作为光源及探测器，图像分辨力约为2 μm，在能量为20～30 keV时，实现了PS微球缺陷快速检测，为微球制备工艺的改善和提高提供了快速有效的监测手段。

发展了背光阴影成像技术, 用于诊断透明ICF冷冻靶冰层内表面质量。分析了单层球壳阴影图像中形成亮环的物理机制。用光学追迹软件Tracepro模拟产生了透明单层球壳的阴影图像, 用于研究亮环位置与球壳厚度及折射率的关系。建立了背光阴影成像实验装置, 获得了透明单层球壳具有明显亮环的实验阴影图像。编制了阴影图像处理软件, 获得了靶丸内表面1维功率谱曲线, 并据此计算出靶丸内表面均方根粗糙度。理论分析、软件模拟及实验研究均表明, 背光阴影成像技术是透明冷冻靶冰层内表面质量的有效诊断方法。