与X射线闪光照相相比，GeV级质子照相因质子的穿透能力更强而更能满足流体动力学最佳光程、更小不确定度的要求。质子照相用于提取阴影客体信息的过程比X射线闪光照相复杂。为了便于分析质子照相过程及其特性，以质子照相的输运过程为基础，逐步考虑了质子与物质相互作用的各种过程--核反应、多次库仑散射、准弹性散射和弹性散射，并获得含各种过程的质子照相理论计算表达式。在含准直的系统中，理论计算公式中包含了多次弹性散射和准弹性散射项。通过与QMCPrad计算结果的对比得知弹性散射高斯近似下的理论计算结果与蒙特卡罗方法(MC)计算结果一致，与更准确的“黑体”模型的相对误差为3%~5%。这意味着在某种程序上，当研究质子照相规律或设计系统时，高能质子照相的理论计算公式能够替代MC模拟。

研究了闪光X射线辐射照像蒙特卡罗程序(FXRMC)在MPI平台下的并行计算实现，给出了实现过程中并行随机数的产生方法。对并行程序的测试结果表明: 并行程序与串行程序结果一致，加速比比较理想，呈线性增长，并行效率在16个处理器上可达80%以上。算例的结果说明了并行化可有效地解决程序计算散射技术性能时的耗时问题，从而有效化解FXRMC耗时和大规模计算的困难，提高了FXRMC程序的计算规模和计算速度，达到了研究要求。

为了快速模拟高能质子照相过程，利用蒙特卡罗(MC)技术和技巧编写了程序QMCPrad，并开展了QMCPrad与MCNPX的对比计算以及实验E955的模拟验证工作。在模型选取中，修改核反应过程权重的隐式俘获模式和一次抽样模拟穿透客体的多次库仑散射的浓缩历史方式都节约了大量的计算时间。与MCNPX相比，QMCPrad具备模拟质子在磁透镜中输运过程的能力。QMCPrad与MCNPX、实验E955的对比及验证结果表明，QMCPrad能够准确定量地模拟高能质子照相，为质子照相实验设计提供工具。

为了提高现有照相系统的图像品质, 对使用CCD探测器的法国客体(FTO)照相布局进行了优化, 获得最佳图像品质因子下的照相布局。研究结果为：在模糊实验测量结果和高斯分布近似下, 系统放大倍率为2.0；后保护器件距离客体50 cm；系统布局总长与探测系统的噪声相关, 噪声越大, 布局总长越短, 最优布局总长的范围为3~5 m；实验验证了这一结果。

为了解成像磁透镜系统使用对提高质子照相品质的作用, 研究了成像磁透镜系统对核反应产生的次级质子的消除作用。利用MCNPX模拟了次级质子的能谱, 结果表明：次级质子的平均能量不足照相质子束的50%。从次级质子的能量特性和成像系统质子运动学方面的分析表明：成像磁透镜系统可消除次级质子的影响。利用程序MCNPX对含成像磁透镜系统的质子照相进行了模拟, 结果显示：成像磁透镜系统将次级质子对光程的影响减小到2%以下, 显著提高了图像品质。

为了达到最佳的扩束效果和充分利用束流,从多次库仑散射角、能量损失和透射率这三个方面确定扩束器的材料类型。对均方根多次库仑散射(MCS)、质子能量损失和质子的透过率的研究都表明单位面质量下材料原子序数越大,扩束效果越好。再结合成本和适用性确定扩束器的材料为钨。同时,从探测器接收到的质子通量均匀而噪声影响小的角度,确定了扩束器的厚度。研究结果为:没有准直器的情形下,扩束器的厚度为3.1 cm;准直器角度为3.0 mrad时,扩束器厚度为2.4 cm。

为了在客体密度重建过程中采用迭代法扣除散射X射线的影响,提出了以散射分布均匀为主要目的的闪光照相系统设计思想。在介绍散射分布均匀性定义的基础上,分析了均匀扣除散射所带来的光程差。采用蒙特卡罗方法研究了系统放大倍数、照相距离以及后防护锥到图像接收系统的距离对散射分布均匀性的影响。结果表明:后防护锥到图像接收系统的距离是影响散射分布形状和散射照射量大小的一个主要因素;当后防护锥到图像接收系统的距离为55 cm左右时,散射分布均匀性近似最佳,而且照相距离越大,散射分布均匀性越好。这些研究结果可用于实际闪光照相系统的优化设计,在图像接收系统的响应范围内达到使散射分布均匀和降低光源模糊影响的目的。

为了降低闪光照相中散射的影响和提高法国试验客体(French test object,FTO)重建的精度,结合不同准直角下散射不同的特性,提出了不同准直角的双轴闪光照相布局,并进行了相应的数值模拟实验。研究结果表明:不同准直角双轴闪光照相中散射的相互干扰非常严重,且主要来于前保护器件,需使用铅板屏蔽。根据信息融合特性和降低散射影响的要求确定了FTO不同准直角双轴闪光照相的两个准直角分别为2.24°和1.15°。从该不同准直角的双轴闪光照相系统模拟得到的图像重建出了均方根误差小于5.8%的密度分布,结果远优于单轴照相23％的均方根误差。

介绍了一种检测闪光照相图像缺陷以及消除这些缺陷的方法.在闪光照相实验中,底片图像会出现一些小尺寸的缺陷影响了底片信息的精确提取.根据闪光照相实验中采用完全一样的多张底片接收的特点,提出了一种闪光照相多底片图像的缺陷消除方法.首先对这些底片图像进行精确配准,将这些图像进行简单平均以获得均值图像,利用均值图像与各底片图像的差值获得缺陷图像,然后根据缺陷图像的特点对缺陷进行分割并判断各缺陷的归属.最后根据均值图像与缺陷图像以及缺陷分割与判断结果获得修补后的底片图像.实验结果证明该方法可以有效地消除多底片图像中的各类缺陷.

在分析高能闪光照相中传统实验方法不足的基础上,提出了采用Monte Carlo模拟结果来建立底片光学密度与照射量之间的关系,并对一个球对称客体进行了实验照相.采用Monte Carlo方法分析了底片光学密度分布左右不对称的各种因素,认为底片光学密度分布左右不对称主要是照相器件几何对中不理想造成的,并说明了底片光学密度左右平均的合理性.在此基础上介绍了H-D曲线的生成方法,采用Silberstein理论得到了具有较高精度的H-D曲线.这种结合Monte Carlo模拟的H-D曲线测量方法不但避免了照射量测量误差,而且还考虑了H-D曲线对X射线能谱的依赖关系,更能体现实际情况,具有较高的精度.可用于球对称客体或柱对称客体的辐射照相.