边界局域模(ELM)是一种周期性爆发的台基不稳定性,由于其固有的复杂性和多样性迄今未能充分认识。特别是大ELM的爆发将造成大量粒子流和热流沉积到第一壁和偏滤器区域,瞬间的高热流造成面向等离子体部件(PFC)寿命缩短,PFC的使用寿命对于下一代磁约束聚变装置至关重要。对于聚变研究而言,对ELM从物理上的深入理解以及从工程上的有效控制是具有最高优先级的研究之一。本论文的研究工作依托超导托卡马克EAST,利用高时空分辨率的快动探针诊断系统观察ELM崩塌前、崩塌过程中以及崩塌后三个过程的动力学演化过程;测量到了 ELM爆发之前台基出现的前兆模以及爆发之后台基出现的后兆模,研究了 ELM精细结构的传播特征,获得了其携带电流的实验证据。此外,观察并解释了 L-H转换后边界等离子体自发旋转增加的实验现象。论文的主要研究内容如下:第一章,简要介绍本论文的研究背景以及科学意义。概述托卡马克等离子体放电的模式及实验定标关系,介绍边界等离子体的基本性质以及对托卡马克放电的重要性。介绍了在研究过程中依托的实验平台,先进全超导托卡马克实验装置(EAST),并概括了 EAST放电实验中常见的边界局域模的特征。第二章,首先概述实验研究过程中使用到的边界诊断系统:快动探针诊断及偏滤器探针诊断。然后详细介绍了不同静电探针的原理及在实验中常用的数据处理方法。第三章,首先介绍了在EAST托卡马克放电实验中,利用快动探针系统观察到的ELM前兆扰动、ELM后兆模以及ELM丝状结构。通过深入到最外闭合磁面以内的静电探针发现,在ELM爆发前能清晰地观察到前兆磁扰动,持续时间约为0.4 ms,频率从130 kHz降低到40 kHz。由于将探针伸入到刮削层区域时,并没有观察到前兆扰动,但是位于更远处的磁探针却观察到前兆扰动。从而确定前兆扰动起源于闭合磁面以内,而且认为前兆扰动本质上是电流震荡。在刮削层区域离子饱和流信号对于前兆扰动没有响应,说明前兆扰动对刮削层的粒子输运并没有贡献。接着,利用电磁探针观察到在最外闭合磁面附近,H-L转换之前伴随小ELM的爆发,发现沿着电子逆磁漂移方向传播的频率为50 kHz的后兆模,模频率保持不变。后兆模被一个频率约为5 kHz的模调制,利用小波分析证实了 5 kHz低频模的存在,用双谱分析发现后兆模与低频模之间存在相互作用。但是目前对于后兆模的观察获得的物理信息有限。随后,介绍ELM崩塌时的精细结构。通过实验观察发现,ELM具有复杂的内部结构,由一定数量的丝状结构组成。不同类型的ELM丝状结构的不同,原因并不清楚。第Ⅰ类ELM丝状结构引起的热流明显大于第Ⅲ类ELM丝状结构。研究第Ⅲ类ELM丝状结构引起的热流输运过程,发现对流项对于总热流的贡献要高于扩散项的贡献。而第Ⅰ类ELM丝状结构的输运过程中,对流项和扩散项对于总热流的贡献基本相当。对于其中的原因,目前尚不清楚。在远刮削层区域,磁探针测量到第Ⅲ类ELM崩塌时磁场偏移的3D轨迹呈现的是闭合的椭圆形,其法线方向沿着平衡磁场,表明有明显的电流丝存在。这个实验观察为ELM丝状结构携带电流提供了直接的实验证据。在近最外闭合磁面的位置并没有观察到电流丝状结构。结合偏滤器探针数据分析,发现这可能是由于在刮削层区域,连接靶板的磁力线两端的电压不同的,从而产生了电流丝结构,这为第Ⅲ类ELM电流丝结构的成因和维持提供了一个可能的解释。第四章,介绍了在EAST上开展实验研究了湍流雷诺协强对于边界等离子体动量输运与自发旋转的影响。自发旋转对于托卡马克的性能尤为重要,影响自发旋转的因素很多,其物理机制至今并没有定论。在射频波加热条件下,发现L-H转换之后自发旋转增加,我们从湍流驱动环向动量输运寻找原因。对湍流雷诺协强驱动的动量输运以及粒子流驱动的动量流进行了详细的分析,发现在无边界局域模的H模放电条件下,闭合磁面以内雷诺协强驱动向内的动量流,由粒子输运携带的动量向外输运。湍流雷诺协强驱动向内的动量流在幅度上强于粒子输运驱动的向外的动量流,是总动量流的主要贡献项,并且主导了总动量流的输运方向。在动量输运的过程中,这潜在地为边界等离子体输运提供一个动量源;粒子携带动量进入刮削层区域,为刮削层流提供一个动量源。在L-H转换的过程中,由于湍流受到抑制,粒子流携带的动量输运减小,根据动量守恒,反过来向内的输运增加,自发旋转也就增加。发现在L模放电条件下近刮削层区域,由对流引起的动量输运对于总的动量输运有主要影响。我们分析的实验结果证实了不同的约束条件下、最外闭合磁面内外区域,等离子体边界区域湍流雷诺协强以及粒子流对于环向动量输运的不同贡献。湍流驱动的动量输运合理的预测了在L-H转换的过程中,边界等离子体旋转的增加。最后一章,总结本论文的研究工作并提出工作展望。