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X射线广泛地应用于惯性约束聚变(ICF)和高能量密度物理(HEDP)中的高密度物质诊断。使用高亮度X射线源进行诊断,不但能让我们获得高密度时的物理信息,还可以进一步扩展我们的研究对象,例如成分的百分比、密度、材质和厚度等等。这使得我们更加关注高亮度X射线源的产生。X射线源的常用产生途径之一是高功率激光脉冲与靶相互作用。一般地,我们可以通过提高激光能量来获得高亮度X射线源。然而在具体的实验中,实验自身的要求和激光装置的损伤阈值会限制输出的最大激光能量。在此情况下,提高X射线的转换效率,才会产生更亮的X射线源。因此,我们更加关心高效的X射线源。本论文主要围绕纳秒激光脉冲驱动的几种高效Multi-keV X射线源展开：1.多层薄膜靶提出了一种新型的高效Multi-keV X射线源——多层薄膜靶的概念。采用一维拉格朗日辐射流体力学程序Multi1D进行了数值模拟,结果表明钛多层薄膜靶可以产生非常类似钛低密度靶的等离子体状态,与钛低密度靶具有相近的Multi-keV X射线发射。钛多层薄膜靶和钛低密度靶的转换效率均是固体平面靶的3倍以上。多层薄膜靶比低密度靶制作简单、可选材料丰富,不但回避了低密度(泡沫)靶复杂的制作工艺,还提供了丰富的X射线能段以供选择。通过钛多层薄膜靶的初步实验,证明了多层薄膜靶可以增大Multi-keV X射线的发射区域。通过模拟,研究了钛多层薄膜靶的Multi-keV X射线转换效率与膜层间距、薄膜厚度和激光脉冲波形的关系。此外,本文还介绍了钛多层薄膜靶在背光成像中的成功应用,得到了较高质量的金网格图像。2.低密度靶采用Multi1D模拟激光脉冲入射钛低密度靶,研究了Multi-keV X射线转换效率与靶初始密度的关系。最大的转换效率对应的密度为最佳初始密度。进一步的模拟结果显示,低密度靶的最佳初始密度随激光功率增加而增大,随激光脉宽增大而减小,随着原子序数Z增加而减小。Multi1D中的限流因子f在高激光功率密度时才对最佳初始密度具有影响,此时f越大,最佳初始密度越高。在相同的入射激光总能量时,方波脉冲是最适合低密度靶Multi-keV X射线发射的激光波形,其效果优于始终保持超声速烧蚀的整形脉冲。简单的理论模型对低密度靶的Multi-keV X射线发射进行了分析,给出了低密度靶的最佳初始密度,其结果与Multi1D模拟得到的最佳初始密度基本一致。本文给出以烧蚀热波与稀疏波的速度比值1.5作为判断低密度靶最佳初始密度的定量标准。3.空腔靶在神光Ⅲ原型激光装置上首次开展了关于钛空腔靶Multi-keV X射线辐射特征的研究。X射线针孔相机的结果显示,Multi-keV X射线主要在腔轴附近发射。钛空腔靶有无底部钛膜的对比实验结果证明了底膜能够有效提高Multi-keV X射线的发射。根据不同内径钛空腔靶的结果,采用聚心特征时间作为空腔靶内径的优化依据,给出了优化的空腔靶内径d=aCsτ,其中α值为1.4-1.8(Cs为离子声速,τ为激光脉宽)。通过上述三种高效Multi-keV X射线源的细致研究,理清了提高Multi-keVX射线发射的物理图像。通过对激光参数和靶参数的细致研究,给出了以上三种高效X射线源的优化设计,为高效Multi-keV X射线源的应用提供了有用数据,使得对更高密度或更广参数范围的目标进行研究成为了可能,将极大地帮助我们了解一些关键信息,如惯性约束聚变中内爆后期的靶丸信息、天体物理中行星内核的演化等等。