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中国散裂中子源(CSNS)工程是基于强流质子直线加速器的高功率高通量散裂中子源，是一种先进的大型科学装置，为生命科学、材料科学和核物理等诸多前沿学科的研究提供一个综合平台。以负氢离子源为起点的高能强流质子加速器，已在散裂中子源、高能核物理和粒子物理实验中得到广泛应用和发展。负氢离子源的稳定可靠性和束流品质事关整个加速器的成败，中国散裂中子源对负氢离子源在束流强度、束流发射度、束流占空比和寿命等方面的要求已基本达到目前国际先进水平。本论文结合中国散裂中子源工程离子源预研项目，对中国散裂中子源离子源开展了系统全面的研究，对于我国散裂中子源工程建设有着重要的意义。
本论文首先通过理论和模拟程序对放电室的热特性仿真计算，确定离子源放电室温度分布与放电电流、束流占空比以及放电室冷却(包括水和空气冷却)之间的关系；确定放电室温度对离子源放电室寿命、等离子体放电及束流品质的影响。其次通过对放电室进行静电模拟计算，确定放电室各组件机械加工误差，优化放电室结构。
本论文通过对离子源引出系统进行二维、三维束流跟踪模拟，根据引出电极出口处束流的发射度的大小，优化等离子体发射面、等离子体电极和引出电极的几何结构。
本论文通过理论计算和程序模拟对偏转二极磁铁进行物理设计，得到不同磁场梯度指数下的磁铁极头的几何结构。通过三维程序进行模拟分析，对束流进行跟踪模拟，比较不同加速电极结构下出口处束流发射度的大小，确定最优的磁铁极头和加速电极几何结构。
本论文结合CSNS潘宁负氢离子源实验平台，将理论模拟的结果应用于实验当中，理论和实验紧密结合，理论结果直接服务于工程项目，并且将理论模拟和实验进行对比分析，得到离子源稳定运行的参数，具有重要的实际意义。
此外，本论文还包括质子治疗多峰磁场质子源的初步设计。通过二维、三维静磁场计算，PIC-MCC模拟以及束流光学模拟，确定了灯丝的选型，放电室尺寸，多峰磁铁布局以及引出系统的几何结构。提出了能满足质子治疗模式快速变换要求的离子源引出光学设计方法。