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在托卡马克运行中,不可避免地会发生等离子体与壁材料相互作用（Plasma Wall Interaction,PWI）。在PWI中,第一类边界局域模（Type I ELM）爆发所释放的热与粒子流会严重损伤等离子体面壁材料（Plasma Facing Materials,PFMs）,影响PFMs的结构和性能,缩短其使用寿命。钨因具有熔点高、导热系数高、溅射产率低、氚滞留率低等优点成为托卡马克中最有前景的PFM。同轴枪强流脉冲装置运行成本低且其产生的等离子体参数与type I ELM中的粒子流参数接近,适合于模拟托卡马克中高约束模式条件下,type I ELM对偏滤器壁材料的损伤效应,国内还没有利用同轴枪开展过同类型的模拟研究。目前在实验中,还需要对电极结构和同轴枪放电参数进一步的优化,以及对等离子体特性和等离子体对靶板的损伤效应进行深入细致地研究。鉴于此,在本文中搭建了同轴枪强流脉冲放电等离子体发生装置及诊断系统。研究了爆燃模式放电等离子体特性,并对比分析了爆燃与预填充模式下的等离子体参数。选用氦气和氢气作为工作气体,研究了锥形枪放电等离子体特性。分析了等离子体热冲击靶板表面过程,并深入研究了热冲击对靶材的损伤效应。具体内容如下:第一章,介绍了使用同轴枪作为等离子体源模拟研究type I ELM对偏滤器壁材料损伤效应的背景与意义。综述了同轴枪的放电原理、发展以及放电模式。分析了同轴枪在国内外的研究现状,明确了本文的研究目的。第二章,介绍了自主研制的同轴枪强流脉冲放电等离子体发生装置。自主设计了柱形枪和锥形枪,柱形枪用于分析放电等离子体特性,锥形枪用于ELMs对偏滤器靶板损伤效应的模拟研究。利用光电探测器测量等离子体的光信号,利用发射光谱仪测量等离子体的光谱谱线。阐述了同轴枪放电等离子体的输运速度和电子密度的诊断方法,磁探针和量热计的制作原理和使用方法。介绍了用于分析靶材损伤效应的表征设备,如金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析仪和X射线衍射仪等。第三章,研究了爆燃模式放电等离子体特性。在实验中发现,总放电回路阻抗由外电路线性阻抗主导,等离子体非线性阻抗效应很小,电流波形为阻尼性准正弦波。存在多次击穿放电时,等离子体阻抗变化对电流波形、磁探针信号有影响。在爆燃模式相同充电电压不同进气量条件下,放电回路电流相似,等离子体受到的洛伦兹力基本相同。随着进气量的增加,会有更多的中性粒子电离为等离子体,所以等离子体的电子密度升高,轴向速度降低。送气量的增加导致放电过程中同轴枪底端击穿电压升高,所以多次放电现象逐渐消失。随着充电电压的增加,放电回路电流增加,有更多的中性粒子电离为等离子体,等离子体受到的洛伦兹力增加,因此等离子体轴向速度和电子密度升高。随着充电电压的增加,放电过程中同轴枪底端的电压增加,因此更容易出现多次放电现象。通过改变储能电容的电容量进一步研究放电周期对多次放电的影响,实验中发现随着放电周期的增大,同轴枪的底端逐渐发生多次放电现象。在相同的充电电压条件下,预填充与爆燃模式放电时的回路电流曲线具有相似性。在预填充模式放电时,等离子体会碰撞电离前方的中性粒子,并且等离子体与电极之间存在粘滞阻力,因此在相同充电电压下其速度低于爆燃模式的速度,电子密度高于爆燃模式的电子密度。第四章,研究与分析了不同充电电压和气压下锥形同轴枪强流脉冲放电等离子体及其对钨靶材的损伤效应。实验中发现等离子体的轴向速度和电子密度均随着充电电压的升高而增加。在充电电压16 k V,氦气压50 Pa的条件下,等离子体中心处热冲击到靶板的能量密度为1.4 MJ/m~2,平均功率密度为22 GW/m~2,热通量因子为170 MWs1/2m-2。充电电压不变,气压从10 Pa上升到50 Pa时,等离子体中的单离子动能降低,电子密度增加,能量密度增加。当气压达到70 Pa时,等离子体的单离子动能和电子密度均降低,引起能量密度降低。等离子体由于热扩散会烧蚀整个靶板表面,在热冲击过程中靶板表面中心直径2 cm范围内的累计能量最高,存在明显的烧蚀痕迹,这与锥形枪枪口直径相等。通过观察能谱可以发现,热冲击后的靶板表面主要为钨元素,这是由于铜的熔点低,在热冲击过程中铜发生了熔化与汽化,因此没有残留在靶板表面。在靶板表面中心处存在μm量级的裂纹和熔坑,熔坑的产生是由于等离子体热冲击靶板表面时局部发热所致。等离子体热冲击会对钨靶板造成质量损失。第五章,利用锥形同轴枪强流脉冲放电等离子体热冲击钨靶板用于模拟托卡马克中高约束模式条件下type I ELM对偏滤器靶板的损伤效应。在充电电压16 k V,氢气进气量1.56 mg条件下,等离子体在靶板位置处的轴向速度可以达到41.7 km/s。单离子动能为9.2 e V,远小于He对W的溅射阈值。等离子体中心处的能量密度约为1.5 MJ/m~2,平均功率密度为30 GW/m~2,热通量因子为212.1 MWs1/2m-2。由等离子体发射光谱得到,除氢元素外,等离子体内存在少量的铜元素。分析了不同的热冲击角度条件下,等离子体对钨靶板20次脉冲后的损伤效应。在等离子体热冲击靶板过程中,靶板表层发生了液滴飞溅和汽化现象,引起了靶板的质量损失。随着角度的减小,等离子体热冲击靶板面积增加,单位面积累积能量降低。等离子体热冲击引起靶材表面累积能量,导致靶板迅速升温,液化的靶材表面的升温和降温过程剧烈,靶板表层以及一定深度范围内存在较大的温度梯度,从而导致表层产生较大的残余应力。等离子体对靶板的损伤有裂纹、熔坑、截面断层、质量损失以及表面残余应力变化,这些损伤主要由于等离子体热负荷引起靶板表面的温度升高。