质量分离是核素生产的重要环节,分离技术的先进与否直接关系到核素的生产与应用。而采用稳态等离子体推进器,结合电磁法与等离子体法各自优点的等离子体束流质量分离法是目前最高效、最有前景的分离方法之一。本文在总结分析了等离子体束流质量分离器工作机理的基础上,重点研究适用于等离子体束流质量分离的不同电磁场位形下的束流轨迹模型及分离参数,为分离装置的研制奠定理论基础。首先,基于单粒子轨道法建立周向仪磁场中离子运动轨迹的数学模型,进行均匀磁场和非均匀磁场下周向仪简化空间内的粒子分析,比较两种磁场下粒子分布密度、空间内部感应电场分布,确定非均匀磁场中的质量分离效果。根据介质在强磁场作用下具有各向异性的规律,研究霍尔电流存在时磁场的振荡衰减特性,揭示出磁场振荡衰减规律。结合周向仪中离子运动机理和磁场振荡衰减特性建立周向仪粒子模型,采用粒子模拟方法考察均匀磁场中等离子体束流的运动规律,描绘出空间粒子密度、感应电位等分布特性,由此分析周向仪结构缺陷给质量分离带来的不利现象。提出了周向仪结构改进措施,重新分析空间粒子密度分布及感应电位分布,计算结果表明改进后的周向仪消除了原有缺陷,有利于质量分离的顺利进行。其次,建立了周向仪磁场中离子运动轨迹数学模型,得出分离区电场中束流的势能方程,利用势能曲线研究电场中单能束流聚焦时的重叠现象,给出聚焦环不重叠条件的确定方法。进一步确定出非单能束流聚焦时保证其有效分离的羽流发散角条件。通过研究电场中Li离子束流在不同羽流角、不同能量时的轨迹,分析给出保证有效分离的羽流角及能量范围。同时分析了分离区电场中等离子体束流的运动状态,通过均匀恒定电场与畸变电场下离子束流轨迹的对比,揭示出分离区空间中鞘层对分离效果的影响。再次,分离区只含有电场的情况一定程度上可满足理论研究的需要,而磁场中多质量束流的分离具有优势,在众多的质量分离领域占有重要的地位。基于带电粒子在磁场中的运动机理重点分析非均匀磁场中束流沿径向和轴向分别喷入时的运动情况,建立离子运动轨迹的数学模型。重点研究离子轨迹上的径向位置参数及质量色散强度。在相同的磁场强度、离子质量前提下分析非均匀磁场和均匀磁场下不同入射速度、不同入射能量时的离子轨迹,进而给出质量色散强度,比较分析两种磁场下束流质量分离效果。分析不同入射速度、速度波动及不同羽流角对Li离子轨迹的影响,通过轨迹图分析及质量色散的比较给出保证束流有效分离的条件。最后,单纯研究电场中或磁场中粒子轨迹及质量色散强度,虽满足质量分离的要求。但无法给出多种位形电磁场中粒子运动轨迹的普遍规律,且无法全面得出分离装置的工程化参数。依据正交电磁场中离子的运动机理,建立束流轨迹的数学模型,重点考察运动轨迹的拐点特性。基于此轨迹模型及拐点特点,以Li、U离子为例分析正交电磁场中束流的运动轨迹并验证质量分离的效果,由此得出轨迹形状、收集器尺寸等相关参数。之后深入研究正交电磁场中多质量束流运动轨迹的形状,以轨迹参数作为分离装置的设计依据。