同轴枪强流脉冲放电等离子体具有超高速、高密度及高能量密度等特性,在等离子体空间推进、尘埃粒子加速和高温核聚变等领域具有潜在的应用。随着能源危机和环境问题的日渐突出,开发核聚变能源、探索聚变能的工程应用对于解决能源问题具有重大意义。磁惯性约束聚变（Magneto-Inertial Fusion,MIF）结合了磁约束方案（Magnetic Confinement Fusion,MCF）的长时间约束和惯性约束方案（Inertial Confinement Fusion,ICF）高密度的特点,合理规避了MCF和ICF部分参数要求过高的问题,是一种反应条件介于MCF与ICF之间的柔性聚变方案。在基于等离子体碰撞融合的MIF方案研究中,利用球马克对撞融合形成磁化靶,然后通过多束等离子体射流惯性压缩进而实现聚变。作为该方案中的等离子体发生装置,同轴枪放电可以产生球马克和等离子体射流。同轴枪放电等离子体的形成会经历加速与喷射两个阶段,等离子体参数的选择与优化会直接影响磁惯性约束聚变的物理过程。然而,目前实验中尚未明确不同的电极结构、放电模式以及放电参数对等离子体的形成、喷射及两者之间关联性的影响。鉴于此,在本文中自主研制了同轴枪放电平台及诊断系统。并利用该平台研究了静态气体填充下的同轴枪放电等离子体特性,分析了不同放电条件对等离子体参数的影响。利用磁化同轴等离子体枪研究了枪内放电过程以及球马克的形成与演化。通过改变偏置磁场,对比了同轴枪放电产生等离子体射流与球马克特性,深入分析了等离子体与磁场的相互作用机理。具体内容如下:第一章,介绍了同轴枪放电等离子体在MIF领域的应用背景。综述了同轴枪的结构设计、放电原理以及放电模式。分析了同轴枪放电产生等离子体射流及球马克技术在国内外的研究现状,明确了本论文的研究动机。第二章,详细介绍了自主搭建的同轴枪强流脉冲放电实验平台,结合放电时序控制,给出了产生不同特性等离子体的技术方案。利用光电探测器和高速相机测量等离子体的光学特性,高压差分探头和皮尔森电流探头测量放电回路的电学特性,磁探针测量枪内电流分布及枪外等离子体磁场特性。阐述了等离子体的喷射速度、动量以及等离子体电子密度和温度的诊断方法,给出了磁探针、动量测量系统、三探针的制作原理和使用方法。第三章,研究了雪犁模式下不同放电参数对同轴枪内部电流分布、等离子体电流片运动及其外部输运特性的影响。研究结果表明,同轴枪强流脉冲放电是一个能量快速释放的过程,总放电回路表现为一个典型的RLC振荡电路。放电过程中电流通道内的等离子体为完全电离状态,相比于外回路的电阻和电感,等离子体的电阻和电感值占比很小,对放电回路的影响甚微,回路电流的振荡特性几乎不随放电参数改变。一次放电过程中,等离子体以电流片的形式向前运动,在大电流、低气压条件下容易发生二次击穿现象。在大电流条件下,击穿瞬间等离子体压力增大,使得遗留在绝缘层附近的带电粒子增多,形成低阻抗路径,等离子体在喷出枪口时易于在枪底部形成新的电流通道。高气压下,由电流片渗漏导致残留在枪内的中性粒子数增多,枪内阻抗增大,抑制了放电过程中在枪底端产生新的电流通道。同轴枪放电等离子体速度是中性气体密度和不同时刻电流大小的函数,其与放电电流大小成正比,与中性气体密度的平方根成反比,喷出后的等离子体轴向输运距离长短主要取决于离子轴向动能的大小。第四章,研究了磁化同轴等离子体枪放电过程及喷射出的球马克等离子体特性。研究结果发现,一次放电和二次放电属于两种不同的放电模式。在电流的第一个半周期内,等离子体以电流片的形式扫掠前方的中性粒子,表现为雪犁模式放电,等离子体携带全部的放电电流,从而产生单个球马克。在电流的第二个半周期内,等离子体电流路径在枪内呈弥散分布,表现为爆燃模式放电,前沿等离子体所受的洛伦兹力减小,导致其无法克服偏置磁场的张力。因此,二次放电产生的等离子体被限制在枪内,整个放电过程中只产生单一的球马克。在满足球马克形成阈值的放电条件下,喷射出的球马克表现为具有轴对称磁场结构的磁化等离子体环,环向磁场和极向磁场大小近似相等且对称分布。球马克的喷射速度随放电电流与送气量的变化符合“雪犁模型”,当放电电流为183k A～253 k A,送气质量为0.46 mg～0.61 mg时,球马克速度变化范围为44 km/s～90 km/s。球马克的环向磁场和极向磁场均随放电电流而增加,最大可达到0.2 T。分析认为当等离子体穿过径向偏置磁场时会感应出环向电场,该电场使等离子体电流方向从极向转为环向,从而引入了额外的极向磁场。随着放电电流的增加,等离子体速度和极向磁场增大,有利于获得更好的磁场约束。第五章,研究了不同放电条件下偏置磁场对同轴枪放电特性和等离子体参数的影响。研究结果发现,当施加或不施加偏置磁场时会产生两种具有不同喷射特性的等离子体,球马克或射流。在等离子体射流的喷射过程中,内电极头处的电流路径受轴向洛伦兹力被拉伸,电流的轴向分量增大,导致等离子体在中心处形成箍缩效应。而在球马克的形成过程中,加速的等离子体压缩和拉伸径向磁力线时,轴向磁场增强,带电粒子不能穿过磁力线与内电极头部相连接,从而消除了箍缩效应。比较有/无偏置磁场下的等离子体参数发现,等离子体射流的速度与动量变化趋势符合雪犁模型;而偏置磁场会减慢等离子体的轴向运动速度,导致球马克的速度和动量均小于射流。与球马克相比,在相同的放电条件下,等离子体射流的电子密度更高,但其电子温度较低。分析认为,在射流的喷射过程中存在箍缩效应,导致等离子体密度进一步增加。而在球马克的形成过程中,被拉伸的磁力线阻止等离子体电流路径集中在内电极头部,避免产生箍缩效应,球马克的电子密度低于射流的电子密度。在外加偏置磁场的情况下,等离子体在与磁场相互作用的过程中损失部分轴向动能转化为磁能,并通过磁重联加热等离子体而耗散。因此,球马克的电子温度高于射流的电子温度。