核聚变能源是解决未来人类能源危机的终极途径,磁约束和惯性约束是传统的两大主流聚变途径,目前已经取得很大的进展,但是二者离商用可控核聚变还有很长的路要走,特别是托卡马克装置面临着工程浩大、建造周期长以及建造维护费用高昂等特点。面对这一系类的问题,国内外不少高校、科研院所以及聚变公司正在积极探索经济小型的聚变路径,场反位形(Field-Reversed Configuration,FRC)以其独特的优势可作为商用经济小型聚变堆的一个有力候选者。中国工程物理研究院流体物理研究所于2013年搭建了“荧光-I”装置,用于研究场反位形预加热磁化等离子体靶形成和约束,该装置的FRC采用θ箍缩的形成方式,取得的等离子体密度为1016 cm-3,等离子体温度200eV,分离区半径4cm和寿命3μs。我们设计的KMAX-FRC装置是在保留了 KMAX(KedaMirror with Axisymmetricity)串列磁境的特色的基础上研制而成,FRC形成源区位于KMAX装置中心真空室两边的锥形室内,源区采用θ箍缩的方式形成初始FRC等离子体,两端形成的FRC等离子体团将被空间径向磁场和FRC环向电流产生的洛伦之力喷射出去,碰撞融合成一个FRC。在目前的操作中,KMAX-FRC装置取得的等离子体温度、密度以及寿命分别为:60-100 eV、～3 ×1018 m-3和～300μs。我们发展的KMAX-FRC弥补了国内碰撞融合FRC的空白,同时也希望为未来FRC的商用聚变堆的发展积累丰富的经验,促进我国聚变事业的发展。本论文的主要工作是在中国科学技术大学研制我国首个碰撞融合场反位形实验装置—KMAX-FRC。在本论文的第一章我们分析了世界能源结构以及发展聚变能源的迫切需求,从而引出了场反位形的概念,讨论了国际上场反位形的发展现状以及形成技术。从第二章至第七章,我们进行了 KMAX-FRC装置研制的详细介绍,包括天线系统、脉冲能系统、脉冲触发系统、脉冲注气系统等。KMAX-FRC装置的特色之一是内置线圈系统,每一套天线系统采用16环单匝紫铜作为天线,线圈长度为1025mm,直径分别为350、350、400、450mm,该天线绕制在阶梯状石英玻璃管上,天线锥形半角约为2.8°。脉冲能系统采用8组高压脉冲同步放电的设计模式,并且每一组脉冲由四个高压大电流开关控制进行时序放电,时间精度需要达到微秒量级,总能量115kJ。脉冲触发系统是是保障KMAX-FRC时序放电的关键,在KMAX-FRC装置上,我们采用3台时间可设置的纳秒延时器作为高压脉冲触发器的时序控制源,通过32道光电转换系统控制32套高压脉冲触发器的触发,进而控制FRC的时序放电。为了增加气体分布的均匀性,我们搭建了4套脉冲注气系统,分别为垂直注入和斜向后注入,具体见第七章。KMAX-FRC装置设计并搭建完成后,我们开展了初步的实验,确定FRC的形成,主要包括静电探针密度温度测量实验、磁探针FRC内部剖面测量实验、快速相机等离子体成像实验、排挤磁通测量以及等离子体喷射速度测量实验等。在FRC剖面测量中,我们搭建了一套不仅可伸缩还可以旋转的磁探针系统,可以完成FRC的径向剖面扫描,此外搭建了 APD光强诊断系统,开展FRC传输实验。