中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。 中性束注入的三个基本过程为: 离子束的产生, 离子束的中性化和中性束的传输, 其中, 离子束的中性化是关键环节之一。 对于EAST-NBI气体中性化室而言, 中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率, 而且还会进一步影响到中性束的传输效率。 基于多普勒频移效应, 提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法, 并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。 该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程, 利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。 因此, 它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。 在中性化室出口处的观测窗口上进行测量, 在束能量为40~65 keV时, 气体靶厚度值为(0.16~0.22)×1016 cm-2, 随着引出束流的变化, 气体靶厚度随之改变。 根据质量守恒定律, 对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算, 估算的结果与测量的结果基本保持一致, 从而证明了该诊断方法的合理性。 综上, 实验结果表明, 该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。

强流离子源是托卡马克中性束注入器的核心部件, 为了满足未来对高能量离子束中性化效率的要求, 负离子源成为中性束注入系统的首选。 光腔衰荡光谱(cavity ring-down spectroscopy, CRDS)是一种超高灵敏探测吸收光谱技术。 在强流负离子源中, 利用氢负离子的光致剥离过程, CRDS可以用来测量氢负离子的绝对积分密度。 与激光光致剥离法与光学发射光谱法相比, CRDS具有不受电磁干扰、 不依赖等离子体参数、 测量精度高等优点。 强流离子源负离子密度测量所用CRDS系统由激光器、 光学谐振腔、 光电探测器和数据采集系统四部分组成。 本文根据CRDS测量氢负离子密度的原理, 详细推导了氢负离子密度的计算方法, 给出了氢负离子密度测算表达式; 然后, 结合强流离子源实验室应用的具体情况, 分析了各部分装置的选择原则与注意事项; 最后, 介绍了CRDS技术在德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所、 日本国立聚变科学研究所、 意大利Consorzio RFX研究所强流负离子源研究中的应用情况。 实验结果表明, 源腔气压、 源功率等源参数会影响氢负离子密度; 铯的注入可以将氢负离子密度从1016 m-3量级提高到1017 m-3量级; 同时, 日本NIFS的实验结果证明氢负离子密度与引出电流呈线性关系。

中性束注入(NBI )是托卡马克装置四种辅助加热手段(中性束注入、低杂波、离子回旋段波、电子回旋段波)中加热效率最高、物理机制最清楚的一种等离子体加热技术，是国际聚变界公认的最有效的辅助加热手段之一。为了探究EAST-NBI的穿透损失，通过对穿透损失率产生原理的理论分析，设计了具体硬件电路框图和实验方案，并通过实验验证了理论推导的正确性。具体做法首先通过对离子源束斑内中心点热电偶进行定量标定的方法作为穿透损失计算的标准。通过石墨瓦上热电偶单位能量下的温升与标定热电偶的温升之比来对穿透损失率进行计算。实验结果表明在一定的束能范围内,穿透损失率随着注入束能的增加而线性增长,穿透损失率随着等离子体密度增长呈指数衰减。

根据EAST-NBI偏转系统工作原理，分析了束流在偏转系统传输的基本过程和特点。利用直接蒙特卡罗方法，发展了中性束注入器束偏转区域束流传输模拟程序。结果显示: EAST-NBI磁偏转系统可很好地剥离束流中的剩余离子; 束偏转区域束流再电离损失约为2.43%; 束流180°偏转所带来线聚焦过程使偏转磁体磁极护板局部面临较高的热流密度。

中性束注入(NBI)是磁约束核聚变装置等离子体加热和电流驱动的重要手段。依据东方超环(EAST)NBI实验运行特点,设计了基于网络通讯的集散式控制系统。NBI控制系统采用计算机网络技术,按照控制层次分为远程监控层、服务器控制层和现场控制层,三层控制结构易于系统功能扩展与设备升级。一条束线的两个离子源可以独立运行控制,这为EAST第二条束线控制扩展奠定基础。实验表明,NBI控制系统具备了远程监控、连锁保护和数据处理功能,满足了NBI实验运行的自动化和可视化的需求。

结合全超导托卡马克中性束注入系统(EAST NBI)的工作原理，采用水冷热测靶形式的离子吞食器回收和测量未被中性化粒子。根据EAST NBI系统对离子吞食器物理特性、空间限制、测量需求及冷却性能等方面的要求，对靶板材料选择、结构设计及布置等进行了分析，给出了离子吞食器具体设计方案。该方案单侧吸收靶板呈V形结构，单个靶板冷却方式采用内置并联冷却水管结构。根据该方案加工获得了EAST NBI系统离子吞食器装置。仿真和实验校验结果验证了本装置可以满足NBI系统4 MW高功率、10 s长脉冲的运行要求。

为实现对离子源测试台系统现场设备的实时监控，设计了一套基于现场总线(Profibus)通讯协议的可编程逻辑控制器(PLC)系统。根据综合测试台测控要求确定PLC系统硬件配置，组建单主站Profibus-DP网络实现高速分布式I/O系统。该系统实时监测现场设备状态并与中性束注入总控实时交换数据，协调控制现场设备按序稳定运行。全图形化的人机操作界面实现了系统运行的可视化操作，数据的实时存储和显示为物理操作人员提供了实验分析依据。整个系统控制稳定可靠,重复性好,兼容性及扩展能力强。

介绍了等离子体密度对离子源放电的影响,为了获得长脉冲放电,采用朗缪尔探针测量等离子体密度并反馈调节离子源放电。基于朗缪尔探针测量,设计了控制部分硬件与软件构架,建立了离子源等离子体密度反馈控制系统,并成功地应用于离子源等离子体放电实验,通过反馈调节实验进气,得到了长达4.5 s的长脉冲放电,为中性束注入稳态运行提供了依据。