作为一种先进的癌症放疗手段,质子治疗因其优良的剂量分布特性正受到越来越多的关注。华中科技大学目前正与多家单位合作,开展了基于超导回旋加速器的质子治疗装置的研发工作。其中,旋转机架束流输运线作为该装置的重要组成部分,其光路系统对等中心点处的束流品质有着直接影响。通常使用简化磁场模型与线性传输矩阵可完成对该束线的光路设计,然而这种方法难以准确反映实际的边缘磁场与粒子运动的高阶项,可能会导致实际结果与设计值的差异,增加了束流调试的难度与不确定性。同时束线的紧凑布局及磁铁的边缘场干涉效应也给校正磁铁的设计带来了挑战。基于此,本文对质子治疗旋转机架束线的边缘场效应与高阶像差进行了研究。在二阶束流光学基础上,本文结合中央对称平面磁场系统的特性与高精度有限元电磁仿真软件,提出了一种基于FEA/ODE的束流分析方法。通过使用OPERA软件建模,MATLAB ODE工具箱求解,该方法被成功应用于目前旋转机架束线光路的验证工作上。验证结果显示,虽然束流包络未发生较大变化,但其镜像光学遭到了一定程度的破坏。经分析,造成该现象的原因主要在于边缘磁场,而二阶像差的影响较小。针对当前光路设计存在的潜在问题,本文提出了一种基于COSY INFINITY软件的光路优化方法。使用Enge函数拟合实际的边缘磁场,在不改变磁铁布局的情况下,通过多目标优化对四极铁梯度重新进行了匹配。经检验,优化后的光路符合设计要求,等中心点处的束斑接近圆形对称结构,提高了质子治疗的稳定性与可靠性。另外本文根据实际轨道校正的要求,对比了“O”型与“H”型两种校正磁铁方案。通过研究两类磁铁与邻近磁铁的边缘场干涉效应,说明了后者具有更小的损耗,且位置规划更加灵活。综合考虑下,旋转机架束线的校正磁铁方案确定为“H”型。同时本文根据实际线圈的绕制与冷却以及磁场好场区的要求,对原先“H”型磁铁重新进行了优化设计。优化后的“H”型校正磁铁已在实际机架束线中得到应用。