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在托卡马克装置中,来自芯部等离子体的热流和粒子流轰击到面对等离子体材料（Plasma-Facing Macterial,PFM）上,引起等离子体与壁材料相互作用（Plasma Wall Interaction,PWI）过程。在托卡马克装置中,PWI问题非常严重。一方面PFM受到粒子流的轰击,导致PFM的侵蚀、杂质产生以及燃料滞留等问题,极大地影响PFM的工作性能和使用寿命;另一方面从PFM进入到芯部等离子体的杂质会冷却和稀释等离子体,甚至使等离子体熄火。因此,研究和分析PWI过程对托卡马克装置长脉冲高参数运行的实现具有重要意义,而实时监测PFM表面元素成分变化是理解PWI过程的关键环节之。针对上述问题,本论文发展了能够适用于托卡马克装置恶劣环境（脉冲放电、强磁场）的激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS）壁表面元素成分原位诊断方法。论文的第一部分在实验室条件下模拟研究托卡马克聚变装置EAST（Experimental Advanced Superconducting Tokamak）中存在的脉冲放电、磁场环境对 LIBS元素诊断能力产生的影响。论文的第二部分,以第一部分实验结果为基础,把LIBS系统成功建立在EAST装置上,在线原位研究PWI过程中PFM表面锂化壁处理、杂质沉积和燃料滞留特征以及离子回旋放电清洗过程。具体内容如下:在第二章中,介绍了 LIBS技术工作原理和系统基本构成,阐述了纳秒激光与物质相互作用过程中等离子体形成机制、等离子体辐射谱线特性、谱线展宽机制,并给出等离子体参数（电子温度和密度）的诊断方法。针对等离子体在扩散膨胀过程中的时间演化特性,研究了等离子体发射光谱强度、等离子体电子温度、电子密度等在等离子体产生、膨胀、冷却过程中的变化情况。实验发现,随着探测门延时的增加,发射光谱强度和谱线信背比呈现出先增加后下降的趋势,而连续辐射背景、等离子体电子温度和密度则是在逐渐下降。因此,可以设定一个合适的光谱信号采集时间,以获取最佳LIBS光谱信号。在第三章中,为优化LIBS技术在托卡马克装置放电期间壁诊断效果,我们在实验室模拟研究了脉冲放电对LIBS分析能力产生的影响。实验发现火花放电能显著增强激光诱导等离子体光谱信号、电子温度和密度并提高LIBS探测灵敏度。光谱信号增强倍数随激光能量密度的增加呈下降趋势,实验表明在激光能量比较低时,火花放电引起的信号增强倍数更加明显。考虑到EAST装置中磁场在炮间及炮中均存在,本章重点研究了磁场对LIBS诊断技术产生的影响。实验发现,磁场约束作用能增强LIBS谱线强度,且磁场强度越大,增强效果越明显。增加入射激光能量密度,磁场约束作用也随之增加。环境气压对LIBS光谱信号的影响表现为,不管是否存在外加磁场,LIBS谱线强度都是随着环境气压的升高而增强,在气压为50 mbar时谱线强度达到最大值,之后随着气压的继续升高,谱线强度开始下降。当气压在1×10-5mbar至0.1mbar之间变化时,磁场约束作用引起的光谱信号增强倍数较大,而当气压高于0.1 mbar时,磁场约束对光谱信号的增强效果不明显。实验还发现,当背景气体为氦气时获得的光谱信号增强倍数最为明显。对观察到的实验现象,文中给出了详细的解释。研究了高真空环境下强磁场（1.1 T）对纳秒激光烧蚀钼,硅和碳靶产生等离子体的影响。实验表明,磁场约束作用能增强等离子体的原子谱线和离子谱线强度,且光谱信号增强倍数随延迟时间的增加呈现出先增加后下降的变化趋势。结合磁流体动力学理论模型解释了这种现象,并得出谱线信号增强倍数主要由等离子体电子温度、密度、上能级寿命以及磁场强度决定。首次发现磁场对锂（Li）等离子体的Li原子和Li离子辐射信号选择性增强的现象。研究了等离子体谱线强度的时间演化和空间演化特性,估算出了不同激光能量密度下锂等离子体中电子温度、离子数密度与原子数密度比值变化情况,并从原子/离子复合和电子碰撞激发两个过程进行分析,得出磁场约束增加了等离子体内电子与离子复合,导致Li原子谱线辐射信号增强,Li离子数密度减少和Li离子光谱信号减弱。ICCD相机记录的等离子体图像的时间演化特性验证了这种实验结论。出现Li元素的这种特殊现象是因为与Li原子的电子组态（1s22s1）相比,Li离子拥有更加特殊的电子组态（1s12s1）。导致Li离子拥有更多的最低空置原子轨道（Lowest Unoccupied Atomic Orbit,LUAO）和更大的复合碰撞截面。在第四章中,通过前期原理实证和实验室模拟研究,首次实现了把LIBS技术和EAST装置相结合,在线研究EAST壁材料上锂化壁处理、杂质沉积和燃料滞留特征以及离子回旋放电清洗过程。实验测定总的锂膜厚度约为1.3 μm,锂膜的平均沉积速率约为0.522 μm/hour,壁表面沉积锂的总质量约为41.65 g,平均沉积率约为4.65 mg/s。研究EAST装置中锂化处理后第一壁表面Li-D/H共沉积层和H/（H+D）比值的变化情况。获得了钼,钠,钙,锂,氘和氢等元素随激光脉冲数的变化趋势,检测了壁材料表面H/（H+D）值随EAST放电天数的变化特性,以及每天壁上氘滞留比例情况。表明锂能吸附H同位素,明显降低托卡马克装置内H/（H+D）比值。首次采用LIBS技术在线监测EAST装置中离子回旋放电清洗过程,研究了离子回旋放电清洗在钼壁和钨壁上的清洗效果。实验发现以氦气作为工作气体的离子回旋放电清洗能有效移除壁表面的锂、氘、氢,且对氘、氢的清除没有选择性。实验还发现在钼壁上滞留的锂要多于钨壁,而钨壁上锂的清除速率要快于钼壁。以上实验数据表明,LIBS技术用于原位在线诊断聚变装置壁状态,对理解和分析聚变装置中PWI过程具有巨大的应用前景。