高平均流强质子束的应用需求增长推动了中低β超导加速结构在世界范围迅速发展。基于不同的应用需求，国际上开展了多种不同几何结构、频率、加速间隙数量的超导腔研制。它们以基于TEM电磁波模式，电长度分别为1/4波长、1/2波长这两类腔型为主，并成为国际上计划建造的高平均流强质子、重离子加速装置普遍选用的超导加速结构。　　目前，我国正在设计建造平均流强10mA，能量50MeV的超导直线质子加速器，作为ADS嬗变示范系统。它的低能注入段选择了两种不同频率的注入器方案进行技术可行性研究，分别是InjectorⅠ和InjectorⅡ。InjectorⅠ的超导直线加速段由325MHz的Spoke腔组成，将束流能量从3.2MeV提高至10MeV。InjectorⅡ的超导直线加速段由162.5MHz的HWR腔组成，将束流能量从2.1MeV提高至10MeV。高平均流强使得束载效应增强，空间电荷效应明显，束流损失问题突出，这对超导腔的研制提出了特殊的要求。本论文研究了用于加速高平均流强质子束的162.5MHz，β=0.085超导QWR腔，为我国ADS低能注入段的超导加速结构探索另外一条可行的技术路线。　　本论文从物理上研究了QWR腔的工作原理及相关微波参数，利用同轴线近似解析模型得到QWR腔的电磁场优化方法，并用3D电磁场计算软件进行验证计算。基于电磁场设计模型，开展了Multipacting的研究，利用三维Multipacting计算工具分析出可能发生Multipacting的梯度范围。进一步从几何优化的角度深入研究了Multipacting的抑制，得到PKU-QWR腔最终的物理设计方案，其可能发生Multipacting的梯度区间，避开了运行时的工作区间。通过研究麦克风效应、QWR腔内导体横向振动、洛伦兹力失谐效应，并综合考虑超导腔的机械稳定性和调谐性能，优化设计得到合适的加强筋方案，保证超导腔的机械强度和运行时的稳定性。　　本论文对QWR腔的束流偏转效应进行了研究。从理论上研究了QWR腔偏转效应对束流动力学的影响，并用粒子跟踪模拟软件进行了验证计算。考虑到束线上的聚焦元件以及超导腔的安装准直误差，结合偏转效应的共同作用，研究了束团的发射度增长机制。对于PKU-QWR腔，对其加速间隙端面引入3°的倾角，改变横向电场分布，可在较宽速度范围内有效抑制偏转效应，并且这种方法不依赖于束流的荷质比。　　基于束流与高阶模的相互作用，本论文从理论上研究了中低能段超导腔内高阶模对束流动力学的影响，并编写数值模拟程序进行模拟计算，确定PKU-QWR腔加速高平均流强质子束流时，激发的高阶模不会引起束流传输的不稳定。　　基于对QWR腔加速高平均流强质子束的关键物理问题研究，本论文研究设计了QWR腔的完整加工工艺方案，以及有效、可靠的RF频率控制方案，并完成了PKU-QWR腔的制造加工、实验测量等研究工作。通过常温下的小功率微波测量，检验了超导腔的设计参数和加工质量。在低温下，进行了PKU-QWR腔的超导性能以及机械稳定性的初步测量。测试中PKU-QWR的Multipacting行为与计算结果符合，避开了运行时的工作区间，并可以通过高功率锻炼克服。　　本论文系统研究了超导QWR腔加速高平均流强质子束的关键物理问题，完成了我国第一支纯铌超导QWR腔的设计、制造加工、和初步试验研究。为我国ADS低能注入段的加速结构探索了另外一条可行的技术路线，也为我国高平均流强质子加速腔的发展储备了技术基础。