为了精密检测靶丸壳层折射率参数, 基于白光垂直扫描干涉和白光反射光谱的基本原理, 建立了二者联用的靶丸壳层折射率测量方法。数据处理利用曲线拟合测定极值点波长、并由干涉级次连续性判定干涉级次, 解决了白光反射光谱波峰位置难以精确确定和单极值点判读可能存在干涉级次误差等难题。对玻璃靶丸折射率进行了测量、实验验证和不确定度分析, 研究结果表明, 白光干涉技术能够实现靶丸壳层折射率的精确测量, 其测量不确定度约为 0.86%。

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测, 开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先, 分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围, 根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点, 确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后, 分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素, 确定了低几何放大成像, 低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案, 该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差, 解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后, 对系统的性能进行了分析测试, 实验结果表明, 系统成像衬度良好, 成像效率较高, 分辨率优于0.5 μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9 μm(k=2), 满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。

靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数，需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理，建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外，搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置，建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法，实现了靶丸内表面轮廓的精密测量，获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线；最后，对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析，结果表明，白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量，其测量不确定度优于0.1 μm。

为了精密检测靶丸X射线光学厚度均匀性, 建立了基于精密轴系和光纤阵列探测的靶丸X射线光学厚度检测装置, 开展了光学厚度轮廓仪光路精密调校技术的研究, 应用白光共焦光谱技术和光学显微成像技术, 解决了气浮转台精密调整、X射线光路对中的难题, 实现了对塑料靶丸壳层缺陷、表面质量、壁厚均匀性、壳层材料成分均匀性等多种耦合扰动综合效应的表征。对系统的稳定性进行了测试, 实验结果表明, 该系统的测量重复性偏差可基本控制在0.01%以内, 空间分辨率约为100 μm, 满足ICF靶物理研究对靶丸X射线光学厚度扰动的高精度检测需求。

用α能损法测量薄膜厚度及其厚度分布的均匀性是一种有效的新方法，但这种测量必须在真空室内进行，如何恰当地选择真空度对于提高测量精度和降低真空系统的建造成本都具有重要意义。通过采用SRIM软件模拟5.486 MeV α粒子在空气中的阻止本领，计算出在不同真空度时，从241Am源发出α粒子穿过不同距离达到探测器时的能量损失，得到α粒子能量损失与真空度的关系。根据这一关系，结合所建α能谱仪在测量过程中的稳定性和重复性，建立了用α粒子测量薄膜厚度所需真空度的确定方法，并用这一方法得到了在源与探测器距离为2~8 cm时，小于100 Pa的真空度能完全满足测量要求的结果。

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。

以Cu作为代用材料，通过分解实验方法，研究了扩散连接各工艺条件对靶丸参数的影响关系，获得适宜的工艺参数（温度小于600 ℃，压强小于6 MPa，时间60 min）。据此，实际连接Cu半球并制备出Cu空心微球。采用白光干涉仪、扫描电子显微镜、微米X射线断层扫描机等仪器对样品进行测试，结果显示连接界面无明显缺陷，内表面粗糙度小于50 nm，内球面直径差值小于20 μm，连接强度满足机械加工要求。

作为柱腔填充材料，泡沫材料在装配后的形变特征是重要参数，需要精确表征。光学干涉技术可以获得样品表面以下1~2 mm深度内的层析结构图像，进而获得相关形变特征信息。利用光学干涉技术开展了对柱腔内泡沫质量的表征研究。搭建了一套基于低相干光源的光纤干涉系统，得到了装配后泡沫的二维和三维内部结构图像，空间测量分辨率好于10 μm。通过泡沫图像检测出萃取后存在表面或内部形变的泡沫样品，为装配后泡沫质量的表征提供了依据。

理论分析了利用X射线同轴离焦相衬成像法测量金黑腔内塑料中心微球位置的可行性, 在此基础上进行了实验研究。实验结果证明, 由于低Z低密度材料对高能X射线有相位调制作用, 因此仍能够形成一定的图像反差, 这种效应并不依赖X射线的能量, 因此在一定的尺度范围内, 可以实现高Z高密度材料与低Z低密度材料在高能X射线下同时成像, 克服了传统吸收成像的不足, 最终实现了内爆靶装配参数的精密检测。