磁约束聚变装置中面向等离子体第一壁材料的腐蚀、杂质输运以及再沉积,尤其是燃料的共沉积滞留对聚变反应的运行以及安全性具有重要的影响。第一壁材料表面成分状态的在线监测与分析能够为聚变的运行提供指导。由于聚变装置条件限制,很多分析手段都不能用于在线分析,而基于激光烧蚀的激光诱导击穿光谱(LIBS)可实现非接触、远程测量,因此能够用于聚变装置中第一壁沉积层成分、含量以及燃料滞留的在线分析与去除。针对这些问题,本论文主要开展了以下几个方面的工作：第二章研究了激光和材料相互作用的特性,包括等离子体随时间演化过程和等离子体羽速度以及等离子体参数(如电子激发温度、电子密度)变化及其和激光功率密度、背景气体和压强之间的关系,发现电子激发温度和电子密度随激光功率增加而增加。采用激光烧蚀模拟装置边缘等离子体腐蚀材料产生的尘埃颗粒特性,通过研究不同激光功率条件下材料的烧蚀率和烧蚀阈值,研究激光和材料相互作用过程机理,得到了激光烧蚀材料的三个阶段：正常蒸发、等离子体屏蔽和相爆炸阶段。通过比较不同激光功率密度条件下光子效率以及光谱行为,发现等离子体屏蔽阶段最适于激光诱导击穿光谱的在线分析。激光消融去除的研究中,本论文在得出了不同材料的激光烧蚀功率阈值后,选择大于沉积层而小于基底材料的烧蚀阈值功率的激光烧蚀HL-2A中第一镜以及类ITER混合沉积层,得到了较好的去除结果。第三章首先在无磁场装置条件下利用激光诱导击穿光谱方法对类ITER混合沉积层进行了定性和定量分析：研究了不同共沉积层元素的深度分布和不同激光功率条件下不同成分的剥离速度,以及燃料的滞留和去除机理分析,为选择合适的激光能量进行表征或者沉积物去除提供参考。对去除过程进行光谱监测,根据所得到的光谱特性,可以在线控制去除过程以避免损害基体材料。定量分析方面,采用斜率法、自由定标法和自行发展的绝对定标法三种定量分析方法对比分析共沉积层中各元素成分。通过与其他分析方法比较得出,谱线的选择对元素成分定量分析结果的影响非常大。为了得到比较合理的结果,需要选择非共振吸收谱线,或者能级较高并且无其他谱线干扰的谱线进行分析。在三种方法中,前两种能给出各个成分的相对浓度,第三种方法能够得到样品中各个成分的具体含量。本论文中采用的光谱仪没有时间门及时间延迟选择的功能,自由定标法的基本假设不成立,由该方法得到的定量分析结果误差较大,另外两种方法能够给出相对合理的定量分析结果。在TEXTOR高磁场条件下研究了磁场对产生的LIBS发射谱线空间分布及对边缘等离子体的影响。实验表明,激光烧蚀产生的等离子体发光强度由于磁场约束而增强,随着磁感应强度的增加,不同电离态的元素变化规律不同：中性成分的谱线强度随磁场变化基本不变,CⅡ谱线在靠近样品表面附近区域随着磁场增大而增强,而CⅢ谱线随着磁场增加而稍有降低。但是在整个等离子体空间区域,CⅡ谱线增强不明显,而CⅢ谱线随着磁场强度总体增强,这是由于磁场对不同电离态成分约束程度不同导致的。第四章采用飞行时间质谱和激光微探针质谱分析了激光烧蚀第一壁材料碳和钨以及HL-2A中第一镜材料的沉积层产生的物种,并提出了用于在线分析的初步实验方案。实验结果表明,采用分子束进样能够提高质谱的分辨率以及更丰富的物种信息,微探针质谱能够提供不同区域的成分分布和深度分布信息,为推知沉积层来源以及燃料的滞留分析提供参考。对激光直接电离飞行时间质谱谱峰宽度进行分析,可以得到不同物种的横向速度分布。本论文设计了一个速度限制器对所产生的物种进行筛选,即选择具有稳定的结构以及特定速度的粒子通过,通过速度限制器的几何参数,粒子的初始发射速度为104m/s的量级,与CCD图中等离子体的速度很好地吻合。质谱分析结果表明,激光和材料相互作用会产生种类丰富的粒子,这些粒子高速进入边缘等离子体,对等离子体造成一定程度的局域干扰。