针对等离子体X射线成像诊断高空间分辨率的需求,本文提出了一种基于超环面石英晶体衍射聚焦元件的钛靶X射线高分辨率聚焦成像结构,研究分析了超环面晶体成像的原理及特性。为证明超环面晶体具有高空间分辨率特性,基于X射线衍射追迹原理对球面及超环面晶体的X射线衍射进行性能仿真,在保持射线源及成像物体不变的条件下,对比分析了不同晶体面形结构的衍射成像结果,计算得到球面晶体和超环面晶体在弧矢方向上的成像空间分辨率分别约为40 μm和5 μm。仿真结果表明超环面晶体作为X射线衍射分光元件较传统的球面晶体具有强聚焦、高空间分辨率的特点,是较为理想的X射线衍射分光元件。此外,本文利用特征峰能量为4.75 keV的钛靶激光装置、IP板以及超环面石英晶体完成了X射线背光成像实验研究,其中超环面石英晶体的子午面和弧矢面半径分别为295.6 mm和268.5 mm,晶格常数2d=0.2749 nm,实验获得了清晰的栅格成像图。实验结果表明该超环面石英晶体能够对钛靶X射线进行衍射成像,并能获得较高的成像空间分辨率。实验中获得的超环面石英晶体衍射的最终成像空间分辨率为10 μm。

针对自由电子激光、同步辐射光束线以及惯性约束聚变、极端条件物理过程等X射线光学系统, 开发了具有独立知识产权的光学设计仿真软件X-LAB。基于光学衍射算法和序列式光线追迹算法, 该软件集光线追迹仿真、矢量衍射仿真和复杂微结构特征光学元件版图绘制等功能, 具有界面友好、操作便捷、包含特殊光学模块、支持“用户定制”功能等特点, 为开展X射线光学系统、光学元件概念设计、优化和研制提供了不可或缺的平台。目前, X-LAB成功应用于能谱分辨率优于1000、能谱范围10~100 eV的北京同步辐射3B1无谐波单色化束线设计中及空间分辨优于6 μm, 视场500 μm的惯性约束聚变物理过程X射线诊断光学系统——K-B镜系统的设计和优化中; 具有复杂微结构光子筛版图绘制功能。

为了获得高能X射线、α射线、γ射线和中子等粒子源的边缘增强图像,提出一种以螺旋波带片编码成像(ZPCI)技术。螺旋波带片同时具备径向希尔伯特变换和菲涅耳波带片聚焦的特点,因此,该技术相当于在采用菲涅耳ZPCI技术获得解码图像的基础上再进行一次径向希尔伯特变换。对该技术产生的边缘增强图像进行模拟计算和实验诊断,结果显示具有可行性。该技术在天文学、核医学和激光惯性约束聚变研究等领域具有广泛的应用前景。

真空激光加速机制具有加速场梯度大、加速电子电量高的优点，目前制约真空加速机制研究发展的主要问题是如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场。提出了一种利用强激光与锥型靶相互作用产生高能电子并实现真空加速的新方法，利用二维PIC(Particle-in-cell)粒子模拟程序对这一方法进行了研究。模拟结果显示，对于光强为1021 W/cm2量级的高斯激光脉冲，产生了能量为GeV量级、发散角约为1°的强流快电子束。此外还通过理论解析和参数模拟研究了靶半径对这种超热电子加速机制的影响。

提出了一种基于光栅衍射原理的椭圆反射式波带片(ERZP)光线追迹算法,分析了ERZP的衍射聚焦和能谱分辨特性。基于该算法,将ERZP光线追迹模块添加到光学仿真软件X-LAB中,使之具有了计算量小、效率高等优点,这对含有ERZP光学系统的设计和数值模拟具有重要意义。

为满足“神光Ⅱ”升级激光装置实验的激光等离子体高空间分辨和窄带宽的精密成像诊断需求，本文研究球面弯晶单色成像技术，并对其进行优化设计及实验验证。首先，使用光线追迹方法分析了成像像距、布拉格角、背光源尺寸等成像系统参数对球面弯晶成像性能的影响，分析了设计参数的变化对成像空间分辨能力的影响，并在X射线管上开展了测试验证实验。研究结果表明: 二维成像时，在等分辨成像像距处可以获得较好的成像结果，增大布拉格角可以抑制像差进而提高成像质量，更小的背光源尺寸也有助于提高成像的空间分辨率。测试实验获得了清晰的网格背光成像，成像结果与预期相符，空间分辨率优于14 μm。这一工作有助于球面弯晶成像系统的优化设计及其在激光等离子体精密诊断中的应用。