带电粒子的特征参数,包括粒子种类、能量、空间和时间分布以及与物质相互作用的特点等,是射线粒子构成的辐射场特性诊断研究的主要内容和中心环节,因为中子和伽马等非带电粒子的探测也是通过对其与原子相互作用产生的次级带电粒子的测量来实现的。因此,带电粒子特征参数测量的水平和精确度直接影响甚至决定对中子伽马辐射场诊断的效果。为突破低强度中子伽马混合场中子能谱精确诊断的关键技术难题,同时满足其他微弱辐射场特征信息精确测量的现代应用需求,本论文探索研究一种基于单粒子(少量甚至单个质子、α粒子等重带电粒子)径迹光学成像的辐射探测新方法和技术。针对现代应用领域对辐射探测技术高灵敏、高分辨以及实时观测等高标准的诊断要求,通过研究单粒子径迹成像技术原理,成功研制出一种新型的单粒子径迹光学成像系统,主要由单粒子径迹发光室和光学成像单元等组成,具有灵敏体积大、空间分辨高、可实时观测及可诊断参数丰富等突出性能。通过建立实验系统开展了单粒子径迹成像技术实验研究,实时获得了清晰的单个质子、α粒子和锂离子的径迹图像,并从中在线提取到精确的径迹布拉格分布特性,特别是径迹射程和布拉格峰位等关键参数。基于此诊断得到高分辨的粒子能量分布,同时验证了该技术具有很好的粒子种类鉴别能力。此外,实验成功获得低强度(<10~5个)质子束的径迹图像,并由其实验布拉格峰分布诊断得到能量分辨小于100 keV的质子能谱,为低强度中子辐射场能谱精确诊断提供了新的有效技术途径。针对低强度中子能谱精确诊断难题,研制了一套基于反冲质子径迹成像的中子能谱测量系统,通过理论和模拟分析其关键性能并优化实验系统。在DT聚变中子测量实验中,成功获得清晰的反冲质子径迹图像,并分别由反冲质子径迹射程和布拉格峰位分布诊断得到入射中子能谱,验证了该方法技术的可行性。本论文建立的单粒子径迹光学成像技术,比起传统半导体探测器,极大拓展了带电粒子的能量测量范围,可达百MeV;其对带电粒子能量测量的分辨率可小于1%,与常规闪烁探测器相比得到显著提升。同时,该技术能够直观给出带电粒子的径迹布拉格分布、空间和时间分布等丰富的特征信息,为微弱辐射场的诊断、质子和重离子治癌的医学应用研究、辐射剂量学以及聚变研究等重要领域提供了新的性能优异的辐射探测技术,具有广阔的应用前景和重要的研究价值。