托卡马克等离子体需要满足能量三重积条件,才能实现可控核聚变反应的自持燃烧。为了达到要求的等离子体密度,快速高效、经济节约的等离子体加料手段必不可少。传统的普通送气方法加料效率低,响应时间长,不能满足将来聚变装置的要求。因此,有必要进一步探索新的加料方式。超声分子束注入(SMBI)具有加料效率高、结构简单和用途广泛等特点,已经在国内外不同磁约束聚变研究装置上得到应用,取得了不少进展。弄清楚超声分子束的注入过程以及和等离子体相互作用的机制,同时结合现有的加料手段,为托卡马克装置甚至是将来的聚变反应堆提供高效的加料方案,是当前研究需要解决的问题。除了等离子体加料,SMBI还应用于粒子输运、ELM控制、非局域电子热输运、等离子体密度反馈等不同的物理实验研究中,成为一种良好的边缘调制手段。本论文的主要工作为J-TEXT托卡马克超声分子束系统的设计和搭建,以及应用于等离子体加料和非局域热输运物理实验的相关研究。论文调研了超声分子束的形成原理,介绍了国内外各个装置上超声分子束系统的发展概况。在借鉴以往经验的基础上,设计并搭建了J-TEXT托卡马克超声分子束系统。该系统拥有HSMBI和LSMBI两套子系统,除了传统的垂直注入和常温注入以外,能够实现角度注入和低温注入。论文介绍了系统的组成部分,如气路、注入器和控制器等,并给出了系统调试结果。论文通过对比J-TEXT上不同注入参数(如压强、脉宽等)下的加料效果,研究了超声分子束加料剂量的影响。实验发现不同注入量下的SMBI具有不同的加料效果,主要分为适量和大量两种情况。两者的区别在于加料的同时是否激发起磁流体不稳定性。在适量SMBI情况下,不稳定性不会被激发,气体注入后能能快速、明显提升等离子体密度,最大加料效率达到50%。在大量SMBI情况下,不稳定性行为被激发,等离子体约束性能变差,加料效果受到影响,效率只有10%-25%。论文研究了加料效率和等离子体参数的关系,探讨了超声分子束加料方案的优化问题。论文对超声分子束的注入过程和注入期间的等离子体行为做了相应的分析,估计了SMBI进入等离子体之前的平均速度,并观察了其沉积位置。实验发现,超声分子束气体主要沉积在限制器以内1-2cm附近,最大注入深度能达到4cm以上。论文介绍了SMBI注入期间温度、辐射、边界转动速度和湍流等参数的时间演化过程。实验发现在适量SMBI情况下,一定程度的电流密度峰化有助于改善等离子体约束,边界离子饱和流和悬浮电位的涨落量下降。而在大量SMBI情况下,引起的芯部电流密度过于峰化,往往激发m=2,n=1的撕裂模不稳定性。在J-TEXT低密度放电条件下,实验通过注入SMBI脉冲,成功观察到了非局域电子热输运现象。该现象引起的芯部温度上升幅度一般在10%-15%左右,维持时间大约有十几个毫秒,和J-TEXT能量约束时间相当。通过改变放电qa,实验发现温度反转点的位置介于1<q<2之间。在J-TEXT欧姆放电条件下,非局域现象的密度阈值大约为1.7×1019m-3。在同时投入外加扰动场条件下,非局域现象更加明显。结合现有实验结果和理论解释,论文对非局域现象的机制做了初步的讨论。