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。

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压，使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态，进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑，ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求，陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面，针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点，发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术，如X光照相技术、4π形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术，初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-α-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制，满足了“神光Ⅱ”、“神光Ⅲ原型”及“神光Ⅲ主机”上开展的一系列内爆物理实验的要求，同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。

为建立高效简洁的厚壁空心微球球形度和壁厚均匀性的表征和测量方法, 以内径850 μm、壁厚25 μm的厚壁聚苯乙烯(PS)微球为测量对象, 分析球形度和壁厚均匀性的表征方法, 探讨测量过程中采样方式对表征微球球形度和壁厚均匀性的影响。研究表明: 对于批量微球球形度和壁厚均匀性的表征, 当抽样数目不小于30时, 测量结果之间的差异很小; 而对于单一微球的球形度和壁厚均匀性的表征, 至少3个不同投影面的测量结果的平均值才趋于稳定。不同投影面导致球形度或壁厚均匀性较差的批次样品的测量结果有一定差异, 多次投影测量可提高测量结果的可靠性。

以制备空心玻璃微球的前体溶胶和硅油为原料，采用实验观测和数值模拟的方法，对T型微通道内溶胶乳液形成过程进行研究。基于液滴的受力分析，建立了液滴形成过程的数学模型，探讨了液滴大小的变化规律。研究结果表明：对于给定的物料体系和T型微通道，通过改变两相流量可以有效地控制液滴尺寸；在相同的分散相流量条件下，增大连续相流量可以减小液滴尺寸，但连续相流量大到一定程度后，这种效果逐渐减弱；在给定的连续相流量条件下，分散相流量越大，液滴直径越大；利用数学模型计算出的液滴直径与实验值偏差在10%左右。根据模拟结果和摄像分析，液滴产生过程经历了静态长大和缩颈剥离两个主要阶段。

为实现惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的均匀掺杂，采用溶胶-凝胶技术结合炉内成球法，以钛酸四丁酯为掺杂剂，对钛掺杂玻璃溶胶-钛掺杂玻璃凝胶-钛掺杂干凝胶粒子-钛掺杂空心玻璃微球(Ti-HGM)这一掺钛空心玻璃微球的制备方法进行了探索。实验结果表明: 掺钛效应使空心玻璃微球壁厚均匀性、同心度有所降低，但对壁厚、直径控制基本无影响; Ti与Si原子分数比为2.23%的Ti-HGM掺杂基本均匀，近70%微球的保气半寿命在一个月以上。

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。

采用汇聚式双重乳液发生器通过乳液微封装技术制备得到了毫米级单分散的聚-α-甲基苯乙烯空心微球。初步研究了各相流速对乳液形成过程、乳液直径及其分散度的影响。基于获得的单分散双重乳液, 采用旋转蒸发方式固化得到了分散度小于3%、直径800~1200 μm的聚-α-甲基苯乙烯空心微球。

为实现对惯性约束聚变(ICF)靶用空心玻璃微球(HGM)质量及性能的有效调控, 研究了精炼温度对HGM批次产品中A级HGM百分数的影响, 实验测试了不同精炼温度条件下HGM批次的平均直径和壁厚、抗张强度、对氘气的保气性能、表面粗糙度及其随时间的变化。测试结果表明：升高精炼温度并不是总有利于提高HGM的质量和性能；当精炼温度低于1600 ℃时, 满足ICF物理实验参数要求的HGM百分数随着精炼温度的增高而增加, 但是, 当精炼温度高于1600 ℃时, HGM的合格率则随着精炼温度的增高而显著下降；随着精炼温度的升高, HGM的抗拉强度快速提高, 表面粗糙度快速下降；HGM在室温下对氘气的阻气能力快速下降, 且在大气中的潮解速率和程度显著降低。

为实现对干凝胶法空心玻璃微球(HGM)渗透性能的有效调控，研究了初始玻璃配方、载气成分、精炼温度、精炼区长度、HGM壁厚对HGM渗透性能的影响。结果表明：当精炼温度低于1400 ℃时，初始玻璃配方对HGM渗透性能有显著影响。但是，随着精炼温度的升高和精炼区长度的延长，液态玻璃中碱金属氧化物的挥发比例逐渐增大，由不同初始玻璃配方制备的HGM对氘气的渗透性能逐渐趋近于相同。随着载气中氦气体积分数的降低或HGM壁厚的增大，室温下HGM对氘气的渗透系数逐渐减小。

在采用乳液微封装技术制备聚-α-甲基苯乙烯（PAMS）空心微球的双重乳液固化过程中，为研究油包水（W1/O）复合液滴与外水相（W2）之间的密度匹配度对最终PAMS空心微球球形度的影响，理论研究了不同初始外径和油层厚度的复合液滴在不同固化时刻的平均密度；实验测量了W1/O复合液滴在固化过程中的油相质量分数及复合液滴的平均密度。研究结果表明：双重液滴固化过程的关键阶段为油相质量分数从20%增加至60%的过程。在双重乳液固化的关键阶段，当复合液滴与外水相的密度不匹配度由0.004 95 g/cm3降低至0.000 02 g/cm3时，微球球形偏离度值低于10 μm的PAMS微球粒子分数从14.3%提高至93.3%；调节外水相的组分来降低双重乳液与外水相在固化关键阶段的密度不匹配度,可显著提高最终PAMS微球的球形度。