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中性束注入(Neutral Beam Injection)加热是磁约束核聚变装置上主要的辅助加热手段。强流离子束中性化是中性束注入的关键步骤，它直接决定了中性束的注入功率，进而影响对等离子体的加热效果。本课题分别从宏观上和微观上分析了强流离子束中性化过程的特性，发展了基于蒙特卡罗(MC)方法的束传输模拟程序和基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法的气流模拟程序，并用于中性束注入器(Neutral Beam Injector, NBI)束中性化区的模拟分析和优化设计。 由离子束中性化的宏观理论可以得到各束流成分随靶厚变化的微分方程组。方程的结果显示中性粒子束流成分随着靶厚的增加而增加，但增长率逐渐变小，且最终趋于饱和。对于EAST-NBI的束能量区间50～80 keV，其最佳靶厚(4.5×1015～7.6×1015 cm-2)随着束能量的增加而增加。通过对离子束中性化微观物理过程的分析指出，兆瓦级的强流离子束与气体靶的相互作用时，不仅会使束流状态发生变化，具有一定能量的碰撞产物还会进一步与气体靶碰撞而产生稀薄等离子体，最终造成气体靶的大量消耗和温度的升高，使得实验运行时得到的中性束功率低于预期值。 上述宏观理论的分析指出，EAST-NBI离子源引出的离子束在中性化过程中共涉及37种碰撞。本课题通过采用蒙特卡罗方法来模拟束流粒子与气体靶的碰撞过程，发展了EAST-NBI束中性化区束传输模拟程序。该程序计算得到的各束流成分随靶厚变化的结果与微分方程组方法十分相符。利用该程序分析EAST-NBI中性化室的磁屏蔽的必要性，结果显示:束粒子处于带电状态下会受到EAST弥散磁场的作用而发生偏转，EAST-NBI中性化室出射的中性束的偏转角度2.8°甚至大于初始离子束的发散角（0.6°和1.2°）;发生电荷转移碰撞的位置不同，造成束流粒子受磁场作用的程度也不同，因此出射的束还会产生一定的发散。 强流离子束中性化的微观物理过程十分复杂，涉及气体靶、束流和等离子体三个研究对象。而其中气体靶作为中性化媒介最为重要，考虑到束中性化区的气流属于过渡流领域，本课题首次将该流域的标准方法——直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法引入NBI的相关研究，建立了NBI束中性化区气流模拟程序。利用该程序分析ITER-NBI中性化室和EAST-NBI束中性化区内的气流特性，计算结果显示:与基于测试粒子蒙特卡罗方法的模拟程序得到的结果相比较，由于考虑了气体分子间碰撞，DSMC方法的结果更符合气流的实际情况，并且根据气流的速度、温度、压强等宏观性质的细节分布，分析了气体靶的形成机制。此外，还将该程序对EAST-NBI束中性化区的优化设计进行模拟计算，结果显示:中性化室和真空室前端盖板的束通道之间的狭缝宽度必须控制小于1 cm，才能有效的提高气体利用率;将中性化室的进气角度从90°改为60°，能够在气体靶厚不变（或减少很小）的前提下，减少流向电极系统的气体，增加离子源运行的稳定性。