本文首先回顾了电磁驱动套筒内爆的物理原理和研究进展，重点介绍与论文工作相关的固体套筒内爆和等离子体内爆实验种类、高能量密度物理应用、惯性约束聚变应用、磁化靶聚变等内容。介绍国外主要的电磁内爆实验装置（Pegasus II、ATLAS装置、Z装置等）特性和主要实验结果，对相应的固体套筒内爆和等离子体内爆物理实验现象和结果进行了系统分析。　　本文在零维模型和准一维模型数值模拟工作的基础上进行了一维数值模拟计算。对于电磁驱动固体套筒内爆而言，其内爆过程的主要特征是套筒内表面保持固态，其外表面可能因电流加热而液化，因而不考虑各种辐射效应，在数值模拟计算中也不考虑离子、光子、电子的各种参数，其适用模型定性为一维单温磁流体力学计算。磁流体力学方程组包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、磁扩散方程、状态方程以及电流回路方程，状态方程采用Sesame库数据。采用显式差分格式计算方法。利用FP-1装置的驱动参数，一维单温计算提供了驱动电流、套筒内（外）界面半径、套筒内（外）界面速度以及不同时刻密度、压力、温度、速度分布结果。结果表明在套筒的飞行阶段，其状态变化不大，但是运动到轴线附近时，内边界附近的密度、压力、速度都变得很大。从温度曲线可以看到，在实验关注的时间范围内，中心温度仍很低，因为温度取决于焦耳热，由于趋肤效应，电流集中在外表面，外表面温度高于内表面。这说明在内爆过程中套筒处于固体状态，达中心后将是固体间的对碰。为适合于双套筒碰撞、复合套筒驱动以及驱动套筒压缩材料等物理过程研究，在一维单温计算基础上进行了一维多区计算，所谓多区就是在计算空间的不同范围内，材料类型（如密度、电阻率等）不尽相同，至少存在两种或两种以上的材料。对双套筒碰撞而言，其空间分布为驱动套筒一空间（空气）—靶套筒(铝合金或Cu、W)—空间（空气）。在具体工作中，碰撞前驱动套筒的运动仍采用一维单温计算，碰靶后则采用多区计算方法。一维多区计算表明，套筒碰撞靶时的压力可达到1010Pa。为了能从理论上研究内爆界面上不稳定性的发展情况，采用ALE方法编制了二维MHD程序。物理模型上只考虑单流体、单温、理想MHD方程组，物理过程包括扩散、Lagrangian流动和对流输运，有限差分方程计算同样采用有限体积差分技术但使用一阶精度的对流输运格式，使用算苻分裂技术求解MHD方程组，在热扩散、磁扩散和Lagrangian步计算中采用显式和隐式混合的差分格式。一维多区计算和二维初步计算结果为实验设计提供了依据。　　等离子体内爆与辐射有关，因此在一维单温磁流体力学的基础上研制了一维三温程序MHD3。MHD3是一个适用于等离子体内爆第二阶段（即等离子体轴上坍缩阶段）的计算程序，能给出等离子体内爆动力学过程、各物理量（如压力、密度、温度、磁场等）的时空分布、X射线的辐射功率和总能量、各种能量的转换效率等，为实验提供预估数据。MHD3方程组是一组强耦合、非线性方程组。MHD3程序使用分裂技术，使方程组退耦，采用隐式差分格式，使用牛顿迭代法求解。MHD3程序采用“冷启动”，初始条件采用一维单温磁流体力学MHD1程序计算的结果。此时等离子体温度为10eV左右，其余的物质状态参数（如几何形状、压力、密度等）均作为MHD3的初始条件。用MHD3程序计算了阳加速器上的氖气内爆实验优化模型。一维三温计算结果表明在1.2MA的驱动水平，喷气等离子体在理论上可产生百吉瓦量级的X射线辐射结果。　　本论文实验研究包括固体套筒内爆和等离子体内爆两大内容。在固体套筒内爆物理实验研究工作中，根据数值模拟结果和FP-1装置的驱动条件，合理选择了套筒材料、套筒几何尺寸、电极结构，进行了系列的研究工作。整个工作按照内爆负载特性一脉冲功率装置特点一结果预估一实验设计一单套筒内爆（一维内爆情形）一双套筒内爆（微喷射和冲击波会聚）一内爆二维现象一内爆屈曲一界面扰动发展（二维内爆情形）这样的一条线索展开研究和分析，研究内容由简单到复杂，深入研究套筒一维内爆物理过程，对二维内爆问题进行了探索研究，发现了其中的一些物理现象，同时对诊断技术方面的不足提出了参考改进意见，为下一步深入系统的研究打下了比较好的基础。通过系列的固体套筒内爆实验研究工作，可以得出如下具体结论。　　(1)实验和数值模拟结果均表明，纯铝(L5)材料是最好的内爆负载，在力学性能、电学性能等方面具有综合优势。对于大尺度（厘米量级）的材料动力学性质研究，长脉冲电流驱动的固体套筒内爆技术有着其它技术不可替代的作用。内爆负载是脉冲功率装置运行系统中的重要参数之一，其结构参数、电性能直接影响装置的输出，同时也决定物理实验的成败，因此在既定的物理需求下，系统参数的优化匹配至关重要的。　　(2)基于电磁驱动内爆的技术特点，固体套筒一维内爆有着良好的内爆平直性和对称性，实验表明其空间不均匀性为毫米量级，时间的同时性为10ns量级（微秒内爆过程）。对近4g重的套筒，在FP-1装置驱动下(3.2MA)内爆速度可达到3.0km/s以上。　　(3)从套筒内爆速度曲线上看，套筒在飞行阶段，速度变化比较缓慢，直到较晚时刻，速度才急剧增长，因而压力的上升也比较缓慢，在套筒内不会形成冲击波，这与炸药驱动的内爆有着显著的差异。因此电磁驱动技术在物质的准等熵压缩方面有着良好的应用前景。　　(4)套筒内爆过程与套筒的制作工艺、电极结构、负载区的结构匹配关系相当密切，任一环节的差异都可能影响到内爆的平直性、对称性和完整性，出现套筒的扭曲、撕裂、端面翻转等现象。由于磁流体力学不稳定性的存在和内爆过程中的质量堆积，界面扰动的发展和内爆屈曲的形成不可避免，但通过合理选择材料和优化结构设计可以减少二维效应对物理实验的影响。　　等离子体内爆为较小质量负载、较高内爆速度物理过程，主要的研究目标是认识等离子体内爆物理规律，通过低质量的负载高速内爆获取高温稠密等离子体，从而开展等离子体物理和辐射流体力学特性研究。本项工作在分析等离子体负载特性的基础上，对等离子体内爆所需的驱动条件、内爆动力学过程、不稳定性的产生与发展、数值模拟结果预估等方面开展了研究工作。结合阳加速器的驱动条件，研制了超音速喷气系统，设计了系列低密度喷气负载，喉部宽度0.3mm，负载线质量密度(15～30)μg/cm，直径(20～40) mm，厚(1～2) mm，气体类型主要为惰性气体（氖气、氩气）。通过细致的研究工作，可以得出如下具体结论。　　(1)与固体套筒内爆不同，等离子体质量为毫克量级，兼顾流体力学不稳定性的发展特性，需要快电流脉冲驱动以获取稠密等离子体，上升时间一般为100ns左右。同时等离子体负载的材料可以有很多种类，特性比较好的材料有如钨丝、铝丝、氖气、氩气等，这为辐射效应实验提供了特殊能点选择的机会。　　(2)等离子体初始形状（扰动的初始幅度）对内爆动力学过程影响很大。与固体套筒内爆不同，等离子体内爆负载是由冷材料加热汽化电离后形成的，因此很难形成一个初始密度均匀、平直性也很好的状态，使得内爆速度的轴向分布相差较大。因此开展等离子体形成初始阶段的特性研究对以后提高等离子体内爆质量至关重要。　　(3)由于不稳定性等因素的影响，内爆过程中等离子体密度的径向分布不均匀，相差的梯度还比较大，即在稠密等离子体的周围环绕着低密度等离子体云，这说明并不是所有等离子体都参与了内爆过程（在金属丝阵内爆中也发现部分等离子体滞后的现象），这使数值模拟中出现了一个不确定的初始参数。同时扰动的发展在等离子体内爆产生了磁泡，这些磁泡携带能量，但这些能量是如何转化为X射线辐射能的？这个问题目前尚不明确，需要进一步研究。　　(4)在阳加速器的驱动条件下(800kA，90ns)。喷气等离子体(0.05mg)内爆速度达到了1×105m/s左右，X射线能量为1.5kJ左右，功率为30GW左右。　　(5)在本实验工作中，发展了较好的内爆动力学过程诊断方法，有效解决了脉冲功率装置运行中电磁干扰对测试设备的影响，使用了可见光分幅相机、X射线分幅相机、激光差分干涉仪等设备对等离子体形态进行诊断，获取比较理想的结果，为实验分析提供了清晰的图像。　　(6)与固体套筒内爆过程相同，从等离子体内爆速度曲线上看，在飞行初始阶段，速度变化比较缓慢，直到较晚时刻，速度才急剧增长，这充分体现了电磁驱动内爆的特点，这也是获取高速内爆的关键。　　总的来说，本论文以固体套筒和等离子体为研究对象，采用电磁驱动的方式研究了套筒内爆动力学过程。电磁驱动内爆技术是在实验室获取物质高能量密度物理状态（物质达到0.1TPa或0.1MJ/cm3的内能密度）的手段之一，通过本论文的工作对电磁驱动内爆物理过程和物理规律有了比较深的认识，同时也将为开展深层次的高能量密度物理问题研究打下比较好的基础。论文工作从物理实验、诊断技术、数值模拟等方面进行了比较详细、系统的研究，深入分析了电磁驱动固体套筒和等离子体内爆一维物理过程，同时对内爆的二维问题进行了有意义的探索研究，在现有的脉冲功率驱动水平下，获取比较理想的物理研究结果。实验研究工作与数值模拟工作有效的配合也是本论文工作的特色之一。