在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化, 获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相, 获得了优于20 μm的高空间分辨网格图像, 为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验, 获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束, 证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低, 分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。

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。

分析了质子照相过程中发射度的增长过程。开展了照相系统设计, 针对设计的照相系统, 采用理论分析和蒙特卡罗计算的方法, 具体分析了各个发射度增长因素的影响程度。分析结果表明：对于高能质子照相, 加速器的引出发射度对系统的色差模糊的影响可以忽略, 但对于中能质子照相, 加速器的引出发射度不可忽略。可通过提高加速器引出系统的聚焦能力和减小散束器的厚度来减小发射度影响。

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。

对质子照相系统中Zumbro磁透镜的参数进行了优化,使成像系统造成的图像模糊最小化,结果表明:构成Zumbro磁透镜的四极透镜对内外漂移段长度相等时,成像系统获得最小的图像模糊.对成像系统的视场进行了分析,表明视场对Zumbro透镜的参数不敏感.给出了质子能量为20 GeV时Zumbro透镜的参数,Geant4蒙特卡罗计算表明:所给的Zumbro透镜参数能正确成像.

依据洛斯·阿拉莫斯国家实验室的质子照相概念,通过研究高能质子与物质的相互作用规律,给出了质子照相确定面密度的计算公式及其不确定性分析,阐述了质子照相鉴别材料组分的原理.相对于X光照相,质子通过面密度较大的物体后的通量明显增加,界面探测和密度重建更加准确.研究了多库仑散射和磁透镜系统的色散对质子照相空间分辨率的影响及解决途径.结果表明,高能质子照相在穿透能力、面密度测量、材料的组分识别、空间分辨率等方面都优于X光照相.