燃料面密度(ρR)是惯性约束聚变(ICF)实验关心的一个重要的参数,它与惯性约束聚变点火条件密切相关。通过不同方向诊断面密度可以在一定程度上了解靶丸压缩对称性。本文深入研究了下散射法诊断燃料面密度的关键技术。该方法主要通过下散射中子数目与初级中子产额的比值(即下散射中子份额)得知面密度值,对下散射中子的测量准确性要求较高。本文首先分析了影响下散射中子能谱和份额的因素；接着根据神光Ⅲ主机实验靶场布局进行了探测系统的辐射屏蔽准直设计,以便降低辐射本底对下散射中子测量的影响;最后设计了两类探测器系统。从靶核热运动、热斑半径、热斑分布、推进层等方面分析了影响下散射中子能谱和份额的因素。首先通过数学推导,探讨了靶核热运动对下散射中子能谱的影响,论证了采用中心点源模型模拟计算下散射中子能谱时忽略靶核热运动影响的合理性。在不考虑靶核热运动的影响的条件下,利用蒙特卡罗方法对不同面密度条件和不同热斑半径模型的下散射中子能谱进行了模拟计算。研究表明,燃料面密度与下散射份额间存在一定的线性关系,并且该线性关系的系数依赖于下散射中子的测量能区的选取以及热斑尺寸。同时分析了热斑分布对不同方向的下散射中子测量结果的影响。分析了下散射中子的测量能区和初级中子的测量能区的选择原则。基于神光Ⅲ原型间接驱动靶、OMEGA直接驱动靶和神光Ⅲ主机爆推靶,探讨了推进层对下散射中子能谱的影响。根据神光Ⅲ主机实验靶场布局进行了探测系统的辐射屏蔽准直设计。首先分析了纯氘燃料靶在实验环境中产生的本底辐射场,通过蒙特卡罗方法计算得知测量点处中子本底主要来源于初级中子与铝靶室壁、周围诊断平台、天花板和地板的作用,据此分析选取合适的材料和屏蔽方案。模拟计算表明,优化后的准直器设计方案满足实验诊断要求。对探测系统设计过程中需要的塑料闪烁体以及微通道板光电倍增管(MCP-PMT)的关键参数进行了实验测量。采用时间符合单光子计数法测量塑料闪烁体的快成分和慢成分的荧光时间特性；采用波形比较法测量MCP-PMT对强窄脉冲光的线性输出。时间符合单光子计数法的实验平台所测幅度动态范围大于104,时间分辨小于0.8 ns。实验结果用双指数拟合得到：ST401发光衰减常数为2.9 ns和50 ns,EJ232发光衰减常数为1.6 ns和30ns。采用波形比较法测量MCP-PMT的线性时,引入了一个与输入波形无关的物理量：线性输出电荷。通过20 ns和10 ns两种不同脉宽的输入波形进行实验,获得了MCP-PMT的增益变化10%时的输出电荷。两种脉宽情况下的结果基本一致。根据辐射屏蔽后5.5 m测点处的辐射场情况和实验测得的塑料闪烁体以及MCP-PMT的关键参数,分别设计了电流型探测器系统和成像型探测器系统。通过Geant4数值模拟分析了闪烁体慢成分荧光余辉、燃料面密度、测量点距离等因素对信噪比的影响。若只考虑塑料闪烁体的快成分和最快慢成分或者塑料闪烁体所有慢成分的份额极低,则在面密度为10 mg/cm2、初级中子产额为1012时,在测量时间段内,布置于5.5 m处的电流型探测器系统测量的信噪比可达40：1。若塑料闪烁体的两种慢成分均较强,则在面密度为10 mg/cm2、初级中子产额为1012时,电流型探测器系统不适于在离靶心5.5m处诊断面密度,但可以通过增大测量点距离来提高测量的信噪比。当测量点离靶心的距离为20 m、面密度为100 mg/cm2、初级中子产额为1012时,电流型探测器系统测量的信噪比则可达20：1。对于成像型探测器系统考虑闪烁体所有慢成分均极低的情况,则当面密度达到10 mg/cm2,初级中子产额为1011时,在离靶心5.5 m处测量的信噪比可优于10：1。面密度增大时,信噪比有所改善。但是当面密度达到100 mg/cm2、初级中子产额达到1012时,由于单个闪烁像元发生多个中子作用事件的概率(重叠概率)增大,使得下散射中子的统计结果偏低。可通过缩短曝光时间或者减小塑料闪烁体厚度来降低重叠概率。研究结果表明,初级中子和高能下散射中子激发的闪烁体慢成分余辉对实验测量能段的下散射中子的测量具有显著影响。通过本论文工作,研究了下散射法诊断燃料面密度的关键技术,论证了下散射法用于神光Ⅲ主机纯氘靶丸燃料面密度诊断的可行性,完成了诊断系统的初步设计,并通过数值模拟对其特性进行了评估。