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对于高功率强子束的应用，例如散裂中子源、材料辐射装置以及加速器驱动次临界核反应堆等，束流的高功率特征使得一些在其它类型的加速器上不存在或不重要的问题在这类加速器上变的非常重要。其中很重要的一个问题就是如何优化高功率束流打靶的束斑分布，尽量使束斑规则并且均匀，从而延长靶、靶容器以及用于隔开加速器内部真空坏境与靶环境的质子窗的使用寿命。并且，束流的束晕处理也要同时得到解决，由于束流功率高，束晕的处理对于减小辐射剂量、提高加速器元件寿命和优化传输效率都是非常重要的。与束流应用相关的一个重要问题是应用束流的传输和分配问题，包括如何制备极弱束流，对束流进行分束处理，以及进行束流能量的调节与动量准直，从而满足不同强子束应用的束流要求。 本论文工作根据中国散裂中子源(CSNS)、加速器驱动次临界系统先导专项(China-ADS)、国际聚变材料辐照装置(IFMIF)等国内国际上几台高功率加速器的工程需要，分别为其设计了靶前段输运线的布局与打靶均匀化方案，包括了束流光学的设计与多粒子模拟。同时，我们也对CSNS的质子束应用区进行了设计，包括利用直线加速器束流的中能质子束应用和利用快循环同步加速器束流的高能质子束应用区，研究内容包括了应用区和输运线的布局和束流光学设计、极弱束流的制备与束流分配。 对于高功率强子束流束斑的均匀化，我们在传统的采用标准高阶场磁铁的均匀化方法的基础上，采用新型的特殊非线性磁铁包括阶梯场磁铁和简化高阶场磁铁以得到更好的均匀化效果，相比于标准高阶场磁铁，它们在调节灵活性与造价上更具优势。我们发展了原来的理论模型，对阶梯场磁铁的应用有了更深入的研究，同时首次研究了采用不同简化高阶场磁铁组合的束斑均匀化方法，并将这两种非线性磁铁应用在了CSNS、China-ADS与IFMIF的项目研究中;同时，我们也应用了多粒子模拟程序TRACEWIN对低能强流束包括空间电荷效应影响的束流打靶均匀化问题进行了研究，并与程序开发人员合作在程序中尝试增加了阶梯场磁铁元件与束斑均匀化的自动匹配等功能。此外，我们也首次尝试研究了得到圆形的均匀化束斑的方法。 在CSNS质子束应用区的研究和物理设计方面，重点研究了CSNS弱流中能质子束流的制备和传输、应用区的布局设计和束流光学设计、采用独特的大角度散射法进行极弱束流制备和分束的方法、束流能量选择和精确束流定位方法等，也研究了CSNS高能质子束的传输和分配方法、不同特性应用区的布局设计等。针对复杂的束流分配系统，所采取的设计方法具有独到之处。