X射线荧光成像技术具有局域探测能力,适合诊断复杂几何构型流体运动,在实验室天体物理、惯性约束聚变等高能量密度物理领域具有重要的应用前景。基于神光Ⅲ原型激光装置,开展了X射线荧光成像的原理验证实验。实验采用聚4-甲基-1-戊烯泡沫掺杂TiO2纳米颗粒为静态客体,以钒等离子体辐射为荧光泵浦源,以平晶谱仪为分光和成像设备,成功获得了钛原子K壳层荧光的一维空间分辨强度轮廓。基于荧光产生和平晶成像原理,对荧光信号强度进行了定量估算,结果表明,模拟和实测荧光强度轮廓符合较好。该工作可为X射线荧光成像技术在复杂几何构型流体实验中的应用提供参考。

介绍了铜活化诊断氘氚中子产额的测量原理，分析了62Cu和64Cu两种活化核素在符合测量中的贡献。针对不同范围内的中子产额测量，提出了系统灵敏度相对标定法和64Cu活化核标定法。通过添加中子屏蔽锥测量了标定场所散射中子影响。计算评估了63Cu(n, γ)64Cu反应过程对活化测量的影响。在神光Ⅲ主机装置上，利用该系统测量了直接驱动氘氚中子产额。实验结果表明：氘氚中子产额在109~1013范围采用相对标定方法较为合适，64Cu活化核的标定方法适用于1012~1016范围内产额测量。标定场所散射中子对灵敏度标定因子影响约0.4%。63Cu俘获辐射反应在64Cu活化核标定中贡献小于1%。目前神光Ⅲ主机装置直接驱动氘氚中子产额约8×1012。

利用神光-Ⅲ原型激光装置实验研究了8束ns激光脉冲从一端注入钛空腔靶产生的keV X射线源的辐射特征, 发现keV X射线主要产生于腔轴附近; 钛空腔靶内径过大时keV X射线能流的峰值强度较低, 内径过小时keV X射线能流的持续时间较短。为了在4π空间内使钛空腔靶获得最大的X射线(4~7 keV能段)转换效率, 腔内径的最优值在1000~1300 μm附近, 此时的keV X射线转换效率为4.7%, 是相同激光参数下钛平面靶的2倍左右。激光单端注入有底部钛膜和无底部钛膜的空腔靶对比实验显示,底膜能够增强keV X射线的发射。

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究, 从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律, 从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动, 明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4 keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体, 研究了光斑区等离子体的运动, 分析了其与电子热传导限流因子的关系; 研究了冕区等离子体的运动, 分析了不同充气等离子体条件对其的影响; 在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。

介绍了铟活化诊断氘氘中子产额的测量原理，分析了中子产额测量不确定度的来源及评定方法。中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度、活化射线净计数不确定度、立体角测量不确定度及测量系统的随机误差等构成。评估了灵敏度标定过程中加速器中子与聚变中子能量差异、大厅散射中子本底等因素对灵敏度标定的影响，并评估了宇宙射线本底对活化射线净计数测量的影响。分析了中子产额处于不同量级时起主要作用的不确定度分量，提出了减小灵敏度标定不确定度的方法。以实验数据为基础，对具体的实验数据进行了分析计算。结果表明：利用伴随粒子法在加速器中子源上标定出铟活化测量系统灵敏度的相对标准不确定度为4.3%。中子产额低于1010时，产额测量不确定度大于7%，活化射线净计数误差是产额测量误差的主要来源；产额大于1010时，测量不确定度好于7%，中子产额测量不确定度主要由灵敏度标定不确定度引起。

X光针孔成像是惯性约束聚变(ICF)研究中重要的诊断方法, 对其点扩散函数的计算可用于图像重建和系统空间分辨的判断。对菲涅耳衍射公式进行了化简, 分析了X光能点、针孔尺寸及放大倍率对针孔点扩散函数的影响。实验在保证成像能获得足够高信噪比的条件下, 通过模拟获得在最佳空间分辨时所要的针孔大小、放大倍率和X光能点等参数。在流体力学不稳定性的静态样品定标实验中, 通过模拟获得了针孔的调制传递函数(MTF), 结合实验测量的结果反推获得分幅相机本身的MTF值。同时采用测刀边函数的方法获得了分幅相机本身的刀边函数, 进而得到相机在各空间频率下的MTF值。两种方法得到的分幅相机MTF值一致, 验证了通过菲涅耳衍射模拟Ｘ光针孔成像的可行性。

在神光Ⅲ原型激光装置上开展了Al材料在高压(大于10 GPa)、高应变率(106~108s-1)的情况下材料强度特性实验方法研究。实验采用“有机材料-真空间隙-样品”的靶构型(气库靶)对Al样品进行准等熵压缩,从而使Al样品的温度保持在熔点以下,材料仍具有强度特性。为了测量Al样品的RT不稳定性扰动增长,实验采用Ti作面背光材料,通过X光针孔成像获得样品的面向背光照相图像,获得了不同时刻RT不稳定性的增长因子,实验中采用连续相位板(CPP)对激光源进行了优化,提高了背光源和驱动源的均匀性。结果表明在现有高功率激光装置上可进行中Z材料的RT不稳定性增长测量,验证了通过RT不稳定性增长测量来研究高压高应变率条件下材料强度的可行性。

在惯性约束聚变研究中，内爆热斑离子温度反映了热斑能量的高低，对内爆对称性和内爆速度等物理量十分敏感，是理解内爆物理过程不可或缺的重要参数。介绍了一种基于中子飞行时间法的ICF内爆热斑离子温度诊断技术。建立了一种采用塑料闪烁探测器作为中子测量器件的快时间响应中子飞行时间谱仪。谱仪输出时间波形的半高全宽小于1.1 ns，上升时间约为0.5 ns。描述了基于反卷积运算和低通滤波的飞行时间谱解谱方法。在神光Ⅲ原型装置较低的中子产额和离子温度条件下通过这种诊断技术成功获得了内爆热斑离子温度。

针孔相机是激光焦斑及打靶瞄准精度监测的主要工具。针对神光Ⅱ升级装置开展针孔相机的研制工作。通过各项参数和结构的优化设计，完成神光Ⅱ升级装置针孔相机诊断系统的设计、研制和集成调试，并进行性能测试实验。结果表明：针孔相机探测能区到达1.0～5.5 keV，空间分辨力优于20 μm，放大倍率5.13～9.99。针孔相机可用于神光Ⅱ升级装置开展激光焦斑及打靶瞄准精度监测工作。

根据神光-Ⅲ原型内爆实验条件下初级中子能谱诊断的要求，提出了反冲质子磁谱仪原型的设计方案，并通过蒙特卡罗程序Geant4对设计方案进行了仿真模拟。该质谱仪的测量能区在6~30 MeV，测量产额范围大于1012，能够测量内爆实验的全中子能谱。模拟结果表明: 设计的谱仪对于14 MeV的中子探测效率大于10-11，能量分辨达到1%，信噪比大于10，满足神光-Ⅲ原型装置内爆实验离子温度诊断的要求。