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。

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。

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。

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题, 研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理, 利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位, 并结合物镜微位移驱动技术, 实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响, 显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合, 实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明：当测量物镜的数值孔径NA为0.65时, LDCS的轴向分辨力优于5 nm, 信噪比优于1 160, 过零点的标准偏差为10 nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

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。

采用超精密车削技术加工微尺度正弦波调制曲面微结构，解决了尖刃金刚石刀具刃磨和刀具对中等关键技术，研究了进给量、背吃刀量和主轴转速等主要切削参数对铜模板表面粗糙度的影响规律。加工出波长为（20～150）μm±0.5 μm﹑峰谷高度差为（0.2～20）μm±0.1 μm的带正弦波调制曲面。采用原子力显微镜对模板表面轮廓扫描，在20 μm×20 μm的范围内，其表面粗糙度均方根值小于10 nm。将正弦波调制曲面测量结果与理论轮廓进行比较，采用最小二乘寻优算法评定轮廓误差。完成了曲面轮廓的功率谱表征，利用加工的曲面微结构制备了平面调制靶，实现正弦波调制曲面轮廓的精确转移。

利用较高能量的X射线对聚苯乙烯（PS）微球进行离焦相衬成像，球壁内密度变化较大的微小气泡的边缘衬度得到有效增强，从而在灰度变化较平滑的微球整体图像中凸显出来，分析了衬度来源及相关因素。实验采用微焦斑的X射线管及CCD作为光源及探测器，图像分辨力约为2 μm，在能量为20～30 keV时，实现了PS微球缺陷快速检测，为微球制备工艺的改善和提高提供了快速有效的监测手段。

提出一种基于激光与CCD的复合式测量方法, 结合二者的优势, 通过测量同一标准球球心的位置标定出了二者光轴的位置关系, 有效地把二者测量的数据融合到同一个坐标系中, 从而实现高精度的3维测量。在对所测靶丸表面数据进行去噪处理后, 采用拟牛顿法, 以CCD所测惯性约束聚变(ICF)靶丸直径作为部分待求参数的初始值, 可以有效避免该方法容易陷入局部最优化的缺陷。从而快速、准确地实现靶丸球度误差的测量。分别在两种测量模式下进行了实验, 结果验证了该方法的有效性与鲁棒性。