随着磁约束聚变实验装置对中性束注入器的输出束流强度与脉冲时间的要求越来越高，开展高功率大面积射频离子源的研究迫在眉睫。为了实现大面积、高密度均匀等离子体放电，基于多驱动射频离子源的设计是当前的发展趋势，而阻抗匹配网络是射频功率源将最大功率输送至线圈并耦合至等离子体的关键，故对其结构设计和调谐特性的研究是不可或缺的。基于前期在单驱动射频离子源的研究基础上，结合双驱动射频离子源的放电需求，开展了双驱动阻抗匹配网络优化结构的设计与分析，通过实验中对匹配网络的调谐，成功实现了140 kW高功率和25 kW/1000 s长脉冲的稳定运行。随后在等离子体稳定放电的基础上研究了两个驱动器之间的功率分配均匀性问题，实验结果表明了该匹配网络的优化设计合理可行，上下驱动器的射频功率分配基本均匀。

基于负离子的中性束注入是未来大型托卡马克装置不可或缺的辅助加热方式。中性束系统中的加速极电源需要输出−200 kV电压和5 MW的功率，还经常面临负载短路和断路的特殊工况。过去对加速极电源的研究中缺少高压部分的方案设计，而电源中高压部件的绝缘设计是电源研制过程中必不可少的关键环节。据电源指标和特殊工况的特点，计算了电源高压部分的隔离升压变压器、高压整流器和高压滤波器的电路参数，并对这些部件基于油浸式绝缘进行了工程设计，通过有限元仿真分析进行了绝缘验证。仿真结果表明，这些部件中的电场强度最高为16.22 kV/mm，小于变压器油击穿场强并具有2倍的绝缘裕度。设计的高压部件结构可以满足电源的绝缘要求。

负离子源中性束注入（NNBI）系统是聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）的组成部分，其目标是开展NNBI相关的科学与工程问题研究，为未来聚变堆NNBI系统的研制与运行积累经验。加速器的束流光学特性决定着最终形成束流的发散性，进而影响着束流在加速器和束线中的传输效率，这对NNBI系统的高功率、高能量、长脉冲运行至关重要。为此，采用IBSimu离子束流模拟程序对目前CRAFT NNBI的400 keV加速器电极系统的物理设计进行束流光学特性分析与评估。目前该套电极结构的设计与ITER负离子源类似，束发散的计算结果满足设计要求。在负离子束流密度较高时（100～300 A/m²范围内），具有更小束发散角；引出距离（5～7 mm范围内）和加速距离（88～110 mm范围内）的适当增加，也呈现出束发散角下降趋势。

传统的霍夫变换、Cannylines直线检测算法、霍夫概率变换方法在图像上的直线检测效果不佳，存在检测线段不连续不正确的问题，因而，利用Sobel滤波对红外图像横轴和纵轴两个方向分别进行锐化，通过线段检测（LSD）算法实现线段特征检测，进而经线段聚类拟合获得图像中完整的直线，通过对直线交点计算获得消失点，最后依据透视关系计算得到校正图像。实验结果表明，该方法可以实现对中性束红外图像的自动有效校正。

基于射频负离子源的中性束注入系统是高功率长脉冲（稳态）运行中性束注入系统的最佳选择。负离子源是中性束注入系统的核心部件，需要实现稳定的负离子束引出和加速。在负离子源的运行过程中引出负离子电流会发生变化，尤其在长脉冲、高能量运行条件下会更加明显，因此无法满足稳定运行的要求。为了实现引出束流的稳定引出，开展了束流反馈控制研究，研发了一套基于射频功率调节的束流反馈控制系统，并将束流反馈控制系统应用在射频负离子源测试平台，开展了束流反馈控制测试。测试结果表明束流反馈控制系统能够实现对束流的实时反馈调节以获得束流的稳定引出，验证了基于射频功率调节的束流反馈控制的可行性，为高功率射频负离子源的研制提供支持。

氢原子束在大气传输时，束流粒子与大气粒子碰撞电离形成的大气剥离效应，以及和大气剥离产生次级粒子碰撞电离形成的自剥离效应，是造成氢原子束能量损失的重要机制。考虑到自剥离效应成因复杂，虽然目前已有一些理论方面的研究结果，但对其发生机理和对束流损失效果尚未有实验或数值模拟方面的工作，因此，通过对自剥离效应的发生机理和对束流损失的影响进行分析，进一步完善了自剥离效应理论，在通过束流传输方程验证了粒子云网格-蒙特卡罗法对氢原子束大气传输仿真模拟适用的基础上，将仿真结果与自剥离理论进行了对比，验证了自剥离效应理论的适用性。模拟结果表明，自剥离效应是由束流被大气电离产生的带电次级粒子团在地磁场的影响不停地穿越束流导致的，且自剥离效应的强弱与原子束的密度有关，束流密度越大，自剥离效应越强，对束流的影响越大。

中性束注入弧电源的性能严重影响弧放电的稳定性和中性束加热的效率。HL-2A装置弧电源采用基于晶闸管相控调压和12脉波不控整流的线性电源技术；HL-2M测试束线弧电源采用基于超级电容和IGBT全控整流的开关电源技术。为了优化电源系统性能、改进弧放电稳定性，研究了采样频率对弧放电稳定性的影响。通过对两套电源控制系统进行建模，利用MATLAB仿真了不同采样频率下HL-2M弧流电源控制系统的阶跃响应性能和HL-2A的控制系统性能，分析了采样频率对系统性能的影响。利用离子源测试平台进行不同采样频率下的弧放电实验对仿真结果进行验证，实验结果与仿真结果一致。实验结果验证：采样频率对弧放电稳定性有很大影响，在频率可调范围内，增大采样频率，可以提高控制系统性能，优化弧放电稳定性；HL-2A弧放电不稳定的原因是晶闸管导通特性和滤波电路引起的。

考虑到中性粒子束对近地轨道太空垃圾的清理作用以及在太空探索中的潜在应用前景，研究了中性粒子束在亚轨道空间长程传输过程中影响束流能量和密度损失的主要物理机制，重点分析了剥离效应对束流损耗的影响。中性束剥离效应包括束流粒子之间碰撞导致的自剥离效应和其与大气粒子碰撞导致的剥离效应。以束密度随传播距离变化的方程为基础，通过引用几何因子来表征束流的自剥离效应强度，建立了剥离效应机制下束流的传输模型，由此评估了束流自剥离效应在中性束长程传输中对传输距离的影响关系。研究结果表明，在固定的高度，当中性束密度大于空气粒子密度时，自剥离效应的影响将非常突出，随着传输高度的升高，即使束密度和空气密度同时降低维持量级一致，自剥离效应对传输距离的影响在大几何因子的情况下仍会增强。

为了给HL-2M装置建设一条5 MW中性束加热束线，开展了中性束加热用热阴极弧放电离子源放电室的研制。这条中性束束线包含4套80 kV/45 A/5 s离子源，放电室的设计指标为850 A/5 s。首先采用CST软件中的电磁工作室对特定几何结构的放电室会切磁场进行了模拟计算，得到了会切磁场分布，验证了会切磁场布局的合理性。针对放电室加工工艺和实验过程中局部拉弧等问题，对放电室结构进行了不断改进。放电室侧壁由40列会切磁体改为7圈环形磁体，阴极灯丝结构从灯丝板结构最终改为陶瓷可伐结构，并且在放电室和加速器之间增加了陶瓷屏蔽。在阴极板结构放电室和阴极陶瓷可伐结构放电室内都获得了正常的弧放电。最终定型的放电室采用周边7圈环形会切磁体和陶瓷可伐结构。在定型的放电室内达到了5 MW中性束束线离子源弧放电的指标。弧放电时间接近5 s，最大弧放电电流达到1 000 A。