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质子直线加速器在科研、教育、医疗卫生等领域有着广泛的应用。近年来，随着能源需求的发展，加速器驱动的洁净核能系统(ADS)成为了质子直线加速器应用的又一个重要方向，例如，正在推进中的中国ADS(C-ADS)设计建造一台束流能量为1.5GeV，束流流强10mA，束流功率15MW的高功率连续波(CW)超导质子直线加速器。除了高流强和高功率的特点，由于应用的特殊性——突发的束流中断会导致ADS长时间停机，甚至在散裂靶及反应堆内部引起严重的温度和应力变化从而导致设备的永久损害，ADS加速器的可靠性要求也极为苛刻。 为了满足高可靠性要求，除改进硬件本身的性能和可靠性之外，还需针对各类硬件故障建立有效的快速补偿机制。在超导质子直线加速器中，超导腔失效是最主要和常见的故障类型，同时，由于超导腔的种类和数量众多，超导腔失效补偿的难度极大。为此，本文就ADS超导腔的失效的补偿和重匹配机制和关键技术进行了较系统而深入的研究。主要工作及成果为:创造性地采用包括高层次综合在内的先进硬件设计方法，通过使用快电子电路和可编程门阵列(FPGA)器件，以实现超导腔的失效补偿和重匹配。相对于传统通过查表模式实现的超导腔失效补偿，这一全新的方法有着诸如补偿速度快、易于升级维护等优势。 补偿和重匹配的具体含义是通过调整正常工作的超导腔，超导螺线管或四极磁铁实现在下游匹配点处的束流状态恢复，主要包括能量，相位和TWISS参数。由于硬件在计算上的局限性，本文首先针对C-ADS直线加速器lattice结构建立了适合硬件计算的多项式等效模型（考虑空间电荷影响），以便提高后续寻找最优解的准确性;然后，针对超导腔失效，本文给出了一套适用于硬件搜索最优解的遗传算法。该算法在传统的遗传算法中加入了对束流包络的约束，并在传统目标函数提取的基础上增加了权重设置。此外，在硬件程序设计中，对模型及算法的各个部分进行了模块化管理，以便后续对算法维护和改进，以及lattice变更和移植。 基于Xilinx公司Kintex7系列FPGA开发板实验平台，本文运用VerilogHDL语言实现了对多项式模型和遗传算法的程序编写和测试。由于ADS对稳定性的特殊要求，测试的重点放在时间和精度上。程序在硬件上运行良好:硬件计算时间可以控制在10s以内，在匹配点的能量误差可以控制在0.5％以内，束流失配度控制在10％以内。这意味着该模型和算法在寻找补偿和重匹配最优解的过程中表现出色，在后续与其它硬件系统的对接中将更加体现出硬件计算的优势。 综上，本论文创造性地提出了一种通过FPGA硬件计算实现束流动力学中超导腔失效补偿和重匹配问题的新方法，并通过C-ADS直线加速器中关键元件以及空间电荷效应的多项式模型等效、高层次最优解搜索算法硬件实现等手段对该方法的可行性进行了成功的验证，为C-ADS质子直线加速器超导腔失效补偿和重匹配问题开辟了一条崭新的道路，也为加速器物理问题的处理打开了一扇全新的大门。