基于质子束独特的布拉格峰剂量分布特性,质子治疗可实现对周边组织损伤更小的精准肿瘤放疗,是当前先进的放射治疗方法。旋转机架可实现多角度质子束照射,是质子治疗装置的核心部件之一。采用常温磁铁的机架束流线是当前的主流方案,但存在重量及体积偏大的问题,机架总重通常超过150吨;采用超导磁体技术的轻量化机架是未来发展的趋势。本论文完成了一套基于交变梯度斜螺线管超导磁体（AG-CCT）及局部消色散方案的超导机架束流输运线物理设计。通过采用不含铁芯的超导磁体,质量相比传统机架可降低约一个数量级;同时,通过束流光学设计与优化,实现了整体机架束线的大动量接受度,在治疗时超导磁体磁场可以不随束流能量同步调节,降低了大电流变化下失超风险。超导机架和传统束线相比,复杂程度高,低、高阶光学差异大,磁铁的光学模型和实际模型在磁场分布上差异较大,束线优化时变量和目标数目多。因此设计时采用从线性光学、高阶光学到实际磁场束流跟踪的方式,迭代进行,逐步验证光路的可行性。本文主要阶段性研究成果包括:（1）完成机架束线的布局设计,为后续优化奠定了基础。这一部分分为三点:通过需求分析,确定了超导机架总体布局,整个机架束线由前后两个偏转段组成;经过一阶光学设计,确定了组合多功能磁体的基本结构;经过二阶光学设计,引入六极磁场,增大了二阶光学下束线的动量接受度。（2）完成机架束线的高阶光学优化。这一阶段分析高阶效应的作用机制,确定了优化时的具体阶数,其重点在于光学优化方案的调整:采用遗传算法减少人工干预,避免陷入局部最优;使用基于束斑的优化目标降低优化的复杂度。结果显示,高阶优化后的超导机架具有-6%～+7%的动量接受度。（3）通过实际磁场下的粒子跟踪,完成了机架束线后偏转段的验证和磁铁优化。其中组合多功能磁体采用具有交变梯度的AG-CCT实现,满足光学设计对磁场分布的要求。在实际模型优化中,引入了并行计算GPU加速技术,加快了实际磁场下粒子跟踪的效率,经测试相对于CPU代码,加速比约100倍,使得原本需要半年的优化任务可以在数日内完成。实际束流跟踪显示,采用AG-CCT实现的机架束线后偏转段具有-7%～+5%的动量接受度。