高能量密度物质广泛存在于宇宙星体中,且是惯性约束聚变所必经的极端物质状态,实验上对高能量密度物质物理性质的研究不仅对天体物理意义重大,同时也是惯性约束聚变研究中拟解决的的关键科学问题。重离子束由于其特殊的能量沉积方式,作为驱动源为高能量密度物理实验研究开辟了一条新道路。国际大科学工程FAIR及HIAF已将强流重离子束驱动的高能量密度物理列为科学目标之一。目前FAIR已经处于工程建设中,而HIAF工程项目也已获批,将要启动,所以相关数值模拟计算工作必须先行一步为加速器工程建设及实验方案提供科学及技术参考。本论文中选取高能量密度物理前期研究中的两个关键问题进行了深入的研究及讨论,分别是高能量密度物理终端的束靶相互作用模拟及加速器建设过程中的动态真空问题。除此之外,本论文中还对重离子与固体相互作用过程中的微观机制做了深入研究。具体研究内容及主要结果如下:1、系统性地定量地研究了强流重离子束与靶相互作用过程中束流的能量,束斑,脉宽以及靶的结构对产生的高能量密度物质状态的影响,结果表明:束流直接加热靶物质时,物质中可以达到的温度与单位沉积能量几乎呈线性关系;物质的流体运动大约开始在束流加载后的几十个ns内,所以束流脉宽超过一百ns会影响束流的沉积效率;采用不同的束靶耦合方案可以满足我们对高能量密度物质状态的各种需求,比如若想在物质中产生极高压状态,环形空心束作用双层靶外层对内层材料进行低熵压缩是首选,可以将物质密度进行上百倍压缩;若想产生极高温状态,可采用圆斑束加热双层靶,内层材料在束流直接加热以及外层冲击波压缩共同作用下生成极高温状态。2、针对HIAF提出的束流参数,模拟了三种典型的束靶耦合结构下所产生的极端物质状态,结果表明:利用HIAF一期工程项目B-Ring(400ns脉宽)提供的束流,实验上虽然可以产生高能量密度物质,但是模拟计算表明靶被最优压缩的时刻处于束流脉宽内一百多纳秒,意味着多一半的束流没有被有效利用,而如果将束流压缩至50ns,实验上的物质状态参数可以被提高一个量级,这样实验上很有可能会达到高能量密度物理的强冲击波区域;二期工程C-Ring一旦建成,实验上冲向高能量密度物理的强辐射区域也是非常有希望的。3、以FAIR工程为例,模拟估算了强流重离子束作用下靶的气化过程引起的终端动态真空变化,通过在现有束线上对压力波传输进行测量校准了动态真空蒙特卡罗模拟程序。结果显示:FAIR工程高能量密度物理终端现有设计无法抵挡靶的气化对真空的影响,对整个加速器是一个安全隐患,但是模拟结果给出的气化压力波传输所需的时间量级提供了解决方法,即在终端连接处附件安装一个毫秒量级快阀。4、超高真空环境下加速器环内的残余气体与束流作用导致束流偏转与管壁碰撞,同时释放更多残余气体这一效应使重离子束单脉冲离子数无法超过109,为了解决这一难题,GSI-SIS18利用一个准直器降低离子与管壁碰撞中解吸至真空中的粒子数目将束流强度提高了一个量级,本文介绍了针对FAIR-SIS100的低温准直器研究,初步实验测量结果显示发现低温条件下,物质的行为与常温下完全不同,这一方面还需要再进一步的研究。5、实验上测量了高电荷态离子与固体(Z=14-79)相互作用过程中的X射线发射,分析发现炮弹离子X射线发射产额随靶原子序数变化呈周期性震荡结构,近能级匹配区域碰撞系统中X射线发射存在非常明显的电荷态效应,这些都表明了能级匹配区域分子轨道跃迁机制的重要性。基于观测到的电荷态效应及分子轨道跃迁理论,推出了高电荷态离子在固体中的平衡时间约7fs。