放射线疗法是最主要的三种治癌方法之一,约50-70%的肿瘤治疗需要放疗。目前使用最广泛的是光子(X、γ射线)放疗,其局限是:光子强度随着穿透深度呈指数衰减,因而病灶前的健康组织受到更多的剂量,这增加了诱发新癌症的风险。与光子不同,质子的剂量分布具有Bragg峰。精确控制Bragg峰处于肿瘤部位,可最大杀伤肿瘤,同时保护健康组织。因此,质子治疗可实现对肿瘤外科手术式的治疗,是目前最先进的癌症无创精准治疗方法。质子治疗的核心是对质子束的精确控制,加速器作为质子的源头,其束流性能对整个治疗系统的影响巨大。回旋加速器运行稳定,能输出连续束流,束流强度可快速调节,在质子调强治疗应用中有巨大优势,因此回旋加速器是质子治疗装备的主流,占运行及在建质子治疗中心的62%。超导回旋加速器具有体积小、重量轻、能耗低、磁铁维持超导状态、机器参数不变、运行稳定、可以随时开机运行等显著优势,因而我国在十三五首批重点研发计划中重点支持基于超导回旋加速器的质子放疗装备研发,这也是我国首次系统地把超导技术和回旋加速器技术结合起来。研究束流在加速器中的运动是回旋加速器的基础。质子束在回旋加速器中的运动可以分为三个阶段:注入、加速、引出,其中注入和引出对束流的品质起决定性作用。超导回旋加速器的结构紧凑,磁场强度高,电磁结构复杂,导致束流的高效率注入与引出更加困难。为保证治疗所需的束流要求,需解决以下关键问题:1)复杂电磁结构下的中心区注入,2)引出束流品质控制,3)高磁场强度下的高效率的束流引出问题。针对上述问题,其中涉及复杂的电磁结构部件,部分元件建模困难,导致无法实现精确的设计和束流控制。目前国际上运行的超导回旋加速器数量少,许多常规回旋加速器的注入引出方法直接应用于超导加速器的设计,部分结构借助实验和工程经验建造,没有精确标准的设计方法,在运行过程中存在引出效率低和稳定运行的问题,需进一步优化设计。同时国内的超导回旋加速器的研发处于起步阶段,没有完整的设计提供参考,进一步增加了研发的难度。为解决以上关键问题,亟需首先深入分析注入引出的物理过程,研究注入引出的方法与进而设计相应的电磁结构。本文以质子治疗用超导回旋加速器为研究背景,以质子束的高效注入引出为目标,通过束流动力学理论分析、回旋加速器中的数值算法、离子源与中心区的电磁结构分析、共振引出理论以及边缘场的参数提取方法,研究了超导回旋加速器的注入与引出的理论与方法。在此基础上研究分析了离子源和中心区的特性,给出了引出区物理与工程设计,对质子束注入引出的理论分析和工程实现具有一定的参考价值。本文的主要研究内容和创新包括:1)研究了束流在主磁铁中的加速过程,分析了引出区危险共振对束流的影响。基于相似平衡轨道理论,揭示了螺旋扇回旋加速器中束流稳定的条件,在此基础上分析了 HUST-SCC250主磁铁的磁场分布,束流在其中的输运特性,加速过程中的滑相,工作点的移动及共振线的穿越,同时使用密度优化方法,给出了一种新的磁轭结构设计。最后深入研究了在引出区几个关键共振对束流横向振荡的影响,并推导出引出轨道的解析近似表达式。2)编写了相关数值计算程序。回旋加速器中电磁场空间分布复杂,束流在其中的运动过程难以解析表达,需通过数值算法来求解其输运方程,为了给超导回旋加速器提供设计和束流模拟的工具,本文设计了磁场与轨道计算的相关算法,并编写了相关程序,主要包含了平衡轨道的求解算法,加速参考轨道的求解算法,多粒子推进的异构加速算法。3)深入研究了注入系统的两个关键部件离子源和中心区。针对RF离子源,提出了一种基于场分解的分析方法。对于潘宁型离子源的引出,采用虚拟电极的方法,揭示离子源的等离子体发射面对引出束流品质的影响。分析了中心区的电磁结构对束流的作用,以及中心区的相位选择对束流品质的影响。4)引出系统物理设计。采用进动引出方法以增加圈距,给出了进动引出的物理模型,优化了谐波场的最优幅值与相位参数,设计了产生相应幅值和相位磁场的方法,使得束流轨道振荡在引出点的圈距达到5 mm。分析了 ESD(Electro-Static Deflector)电压对束流引出轨道的影响,通过数值分析和粒子追踪,得到了在设计条件下,束流通过ESD的引出轨道。计算了沿着引出束流轨道进行聚集补偿的方案,提出了一种等效集中参数元件的方法建立了引出复杂边缘场的模型,最后通过束流光学计算程序MADX设计了一种磁通道元件分布,确定了磁通道设计参数,使得引出束流品质满足设计要求。5)引出系统三个主要部件的工程设计。A)给出了 Bump线圈工程设计参数,确定了产生所需磁场的线圈安匝数及供电需求;B)给出了 ESD的结构设计,同时给出了ESD实验平台总体的设计;C)给出了磁通道元件沿轨道布局方案,设计了磁场参数的磁通道结构。并通过有限元仿真验证了设计参数,均满足设计指标。