惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)和Z箍缩研究的开展不仅在基础物理探索方面,而且在国民经济和军事等领域均具有重要的研究和应用价值。两者物理过程的复杂性以及可控性需要与之相匹配的诊断技术和装置,建立相应的综合诊断系统可以为惯性约束聚变研究提供保证,是ICF和Z箍缩研究的重点内容。将弯曲晶体分析器作为信息获取最前端,并以此为基础构建的X射线成像系统,是ICF和Z箍缩诊断技术研究中常用装置。目前,现有的成像系统通常基于反射式布拉格原理构建,如球面及超环面弯晶成像谱仪,球面弯晶成像谱仪用于X射线单能成像时要求布拉格角要尽量大于80°以减小成像像差,在ICF靶丸成像应用中常会影响其他成像器件的空间布置,另外,在Z箍缩等离子体单能成像时不具备宽的视场区域;相较于球面弯晶,超环面弯晶能够解决其在小布拉格角成像时的像差问题,但其六维调节难度以及晶体衍射效率等问题却限制了实际应用。对数螺线弯晶在大立体角范围内均具有等角特性,从而具有较宽的单色成像视场范围,目前,对对数螺线弯曲晶体的研究主要是利用其聚焦、色散的特性实现X射线分光,用于生物医学领域的X射线荧光和相衬成像以及实现同步辐射光源的单色化。然而,利用对数螺线弯晶所特有的在大立体角内的等角特性,研制应用于等离子体X射线成像的透射及反射式对数螺线弯晶分析器尚未见报道。因此,鉴于ICF和Z箍缩爆聚过程对等离子体X射线单色成像诊断的迫切需求,在国家自然科学基金面上项目(No.10976033)“高温等离子体X射线球面晶体单色成像谱学研究”和中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(No.2010B0401050)“对数螺线弯晶在Z箍缩等离子体诊断中的应用研究”的资助下,围绕对数螺线弯晶成像器的X射线单色成像原理及其应用,开展了如下研究工作:(1)分析了对数螺线的几何数学性质,根据其相关特性,推导了对数螺线方程及重要几何参数对螺线性质的影响;结合晶体X射线衍射机理,分析了将晶体在子午面弯曲成对数螺线形状时对X射线的衍射特性,为研制对数螺线弯曲晶体提供了理论分析基础。(2)从晶体对X射线的单色衍射原理出发,结合弯曲晶体片层模型,分析了对数螺线弯曲晶体对等离子体X射线进行单色衍射时的特点,在此基础上,推导了透射和反射式对数螺线弯晶公式,分别研究了透射式对数螺线弯晶和针孔配接反射式对数螺线弯晶用于X射线单色成像的原理;理论分析了两种类型弯晶成像系统的成像放大倍数、成像视场、空间分辨率等性能参数,探讨了成像探测器的位置选取原则,并采用光线追迹原理分别对两种成像系统进行了成像仿真,分析了背光源位置偏移对透射式对数螺线弯晶成像性能造成的影响。(3)研制了透射式石英对数螺线弯晶成像器(晶格常数0.8512 nm),并搭建了单色背光成像实验平台,开展了透射式对数螺线弯晶的X射线单色背光成像测试实验:以Cu靶X射线源作为背景光源(特征谱线波长为0.154 nm),分别对网丝直径200μm、100μm和50μm的微型网格进行了背光成像实验,验证了透射式对数螺线弯晶成像器进行X射线单色背光成像时成像视场大的特点,衍射图像的FWHM(网丝峰值边沿延展的12.5%到87.5%)表明,在背景光源尺寸为110μm时,成像器子午和弧矢方向的空间分辨能力分别达到30μm和37μm,与该背光源尺寸下的理论计算相符。(4)研制了针孔配接反射式对数螺线晶体的单色成像器,在中国工程物理研究院“阳”加速器上,针对铝丝阵内爆等离子体,用研制的石英(1010)和云母(002)对数螺线晶体分析器分别瞄准类氢线Al Lyα2(2p1/2–1s1/2)和类氦互组合跃迁线Al Heα(1s2p 3P1–1s2 1S0)进行了Z箍缩聚爆等离子体K壳层单色成像实验,并成功获取了丝阵等离子体相应能谱的单色图像。所获得的单色图像反映了等离子体的内爆形态,并在原始图像上观测到磁瑞利-泰勒不稳定性造成的多个热点。类氦线单色图像上所反映的类似螺旋形结构还表明,箍缩过程中产生了冻结于膨胀等离子体中的轴向磁场。(5)为提高成像器效率,并在同发次实验中同时捕捉到丝阵内爆等离子体多个能谱的单色像,在单通道对数螺线晶体成像器基础上,进一步研制了多通道对数螺线晶体成像器,并在“阳”加速器上进行了Z箍缩铝丝阵内爆等离子体单色成像实验。在成功捕获的铝丝阵多能点单色图像中,可以看出,不同能点的图像在空间强度分布上存在差异,Hα线的亮区比Heα线图像的亮区窄,且更集中于丝阵等离子体轴心,说明原子被激发到类氢离子的数量少于类氦离子的数量;亮斑中心主要集中在轴线上,说明轴心处等离子体温度和密度比外围等离子体高,该现象与实际Z箍缩内爆规律相符合。此外,在成像器捕获的同发次多能点单色图像中,能谱接近的Al Heα线(1.5894 keV)与其互组合线(1.5883 keV)以及Hα线(1.729keV)与其伴线(1.7277 keV)所对应的图像在形态上完全不同,说明多通道成像器能够分辨这些能点,证明成像器的能谱分辨率至少达到了1.3 eV。